Микроэлектроника - метод. указания к ЛР

31

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Интегральные логические элементы (ИЛЭ) составляют основу сложных интегральных схем и аппаратуры в целом. При этом параметры ИЛЭ оказывают непосредственное влияние на параметры узлов и субсистем. Выбор типа ИЛЭ в значительной мере предопределяет качественные показатели аппаратуры. Схемные варианты ИЛЭ называют транзисторными логиками и обозначают буквами ТЛ с некоторыми дополнениями, характеризующими специфику того или иного варианта. Однако такая система обозначений выдерживается не строго.

В данной работе рассматриваются следующие основные технологии транзисторной логики: ТТЛ(Ш), КМОП, БиКМОП, ЭСЛ. Варианты заданий представлены в табл. 6.1.

Перед выполнением работы целесообразно ознакомиться с теоретическим материалом по данной тематике из источников, представленных в списке литературы.

3.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.По вариантам структур цифровых микросхем табл. 6.1 по согласованию с преподавателем выберите 4 варианта схем (по одной из каждой технологии).

Таблица 6.1 Варианты заданий для исследования структурцифровых ИМС

32

2.Составте таблицы истинности выбранных схем.

3.Согласно правилам схемотехники и теории цепей, рассчитайте номиналы пассивных элементов схемы (если таковые имеются в вашем варианте).

4.Соберите схему в программе моделирования OrCad и проверьте правильность выполнения логической функции.

5.Проанализируйте работу схемы при вариации температуры окружающей среды, нестабильности напряжения питания, различном напряжении питания (характерном для структур на полевых транзисторах) и технологическом разбросе пассивных элементов схемы (обычно для диффузионных резисторов в слое базы – ±20%, пинч резисторов – ±50%, резисторов в эмиттерном слое– 10-15%).

6.Определите время задержек при переключении элемента, скорости нарастания и снижения сигнала и сравните с аналогичными параметрами соответствующих микросхем из справочных данных.

7.Проанализируйте изменение измеряемых параметров по п. 6 при условиях п. 5.

8.Покажите преподавателю результаты выполнения работы и оформите отчет.

4.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Перечислите и опишите свойства простейших логических операций, выполняемых логическими элементами.

2.Как реализуются логические функции И-НЕ и ИЛИ-НЕ в транзи- сторно-транзисторнойлогике?

3.Опишите работу логического элемента ТТЛ со сложным инвертором. Перечислите типы и особенности современных разновидностей ТТЛ-элементов.

4.Как реализуются логические функции в схемах на переключателях тока (ЭСЛ)?

5.Почему в схемах на ЭСЛ-элементах обеспечивается высокое быстродействие?

6.Опишите принцип работы КМОП-логических элементов. Как строятся логические элементы на КМОП-ключах коммутации?

33

7.Опишите принцип действия БиКМОП-логического элемента. Какие параметры удается улучшить при использовании этих элементов по сравнению с КМОП- и ТТЛ-логическими элементами?

8.Перечислите справочные параметры, характеризующие интегральные логические элементы. Что такое работа переключения?

9.Опишите основные разновидности интегральных триггеров.

10.Приведите пример реализации записи и считывания информации из триггера.

ЛАБОРАТОРНАЯРАБОТА №7

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ РАБОТЫ СТРУКТУРАНАЛОГОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель работы – изучение и анализ работы типовых структур аналоговых интегральных микросхем.

Задачи работы:

1.Ознакомиться сосновнымисхемотехническими структурамианалоговых интегральных схем: каскадами,стабилизаторами и источниками опорногонапряженияитока;операционнымиусилителямиикомпараторами.

2.Создать модель структуры аналоговой интегральной микро-

схемы.

3.Проанализировать работу ИМС в зависимости от внешних факторов и нагрузки.

Продолжительность работы - 4 часа.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Номенклатура аналоговых схем весьма обширная и разнообразная. В основе аналоговых схем лежат простейшие усилительные ячейки - каскады или ступени. На основе усилительных каскадов строятся сложные (многокаскадные) усилители, стабилизаторы напряжения и тока, преобразователи частоты (модуляторы и детекторы), генераторы синусоидальных колебаний и ряд других схем. Такие схемы иногда называют линейными или квазилинейными, хотя это название подходит

34

только для усилителей и стабилизаторов, а для остальных схем является условным.

В данной работе основной упор в исследовании работы структур аналоговых микросхем сделаем на стабилизаторы (источники опорного) напряжения и тока и операционные усилители с компараторами.

Перед выполнением работы целесообразно ознакомиться с теоретическим материалом по данной тематике из источников, представленных в списке литературы, а также материалами, имеющимися во всемирной cети Internet, с целью определения производителей данного рода устройств и разнообразием внутренней структуры интегральных микросхем у разных производителей.

3.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.По вариантам структур аналоговых микросхем по согласованию с преподавателем выберите 2 варианта схем:

- стабилизатор напряжения; - стабилизатор тока;

- источники опорного напряжения; - источники опорного тока; - операционный усилитель; - компаратор.

2.Уточните необходимые выходные параметры (токи, напряжения). Желательно, чтобы параметры выбранных структур находились в диапазоне имеющихся параметров серийно выпускаемых ИМС. Данные необходимо узнать из справочников на конкретные ИМС либо из технической документации, предоставляемой производителями микросхем, которую можно найти в свободном доступе сети Internet.

3.Соберите электрическую схему выбранной структуры ИМС в программе моделирования OrCad и проверьте правильность ее работы. Для структур, собранных на основе серийно выпускаемых ИМС сопоставьте получаемый результат с техническими данными производителей.

4.Проанализируйте работу схемы при вариации температуры окружающей среды, нестабильности напряжения питания, различном напряжении питания и технологическом разбросе пассивных элементов схемы (обычно для диффузионных резисторов в слое базы – ±20%, пинч резисторов – ±50%, резисторов в эмиттерном слое – 10-15%).

35

5.Постройте зависимости изменения выходного сигнала (тока, напряжения) при вариации нагрузки.

6.Для структур стабилизаторов определите коэффициент полезного действия, коэффициент стабилизации и относительную нестабильность напряжения для стабилизаторов напряжения (тока для стабилизаторов тока).

7.Покажите преподавателю результаты выполнения работы и оформите отчет.

4.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какими параметрами характеризуются стабилизаторы напряже-

ния?

2. Что такое стабилизаторы параллельного и последовательного ти-

пов?

3.Приведите примеры источников опорного напряжения.

4.Какими параметрами характеризуются стабилизаторы тока? Опишите схемы и принцип действия простейших стабилизаторов.

5.Опишите принцип работы и характеристики «токового зеркала» на биполярных транзисторах. Для каких целей используются такие каскды?

6.Назовите основные каскады, используемые в аналоговых ИМС.

7.Какие основные каскады используются в операционных усилителях и компараторах?

8.Назовите основные параметры, которыми характеризуются операционные усилители и компараторы.

36

ЛАБОРАТОРНАЯРАБОТА №8

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ РАБОТЫ ЦИФРОАНАЛОГОВЫХ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель работы – изучение основных схемотехнических решений АЦП и ЦАП в микроэлектронном варианте исполнения и получения практических навыков работы с этими устройствами.

Задачи работы:

1.Изучитьсостав иалгоритмыработыразновидностейАЦПиЦАП.

2.Создать модель структуры АЦП и ЦАП.

3.Проанализировать работу устройства в зависимости от внешних факторов, нагрузки и вида входного сигнала.

4.Определить ошибки преобразования сигнала.

Продолжительность работы - 4 часа.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Для преобразования аналоговых сигналов в цифровой эквивалент используют аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а для обратного преобразования цифровых уровней в аналоговые – цифроаналоговые преобразователи (ЦАП).

Развитие техники АЦП и ЦАП осуществлялось поэтапно – от простых наборов ИМС, на базе которых конструировали преобразователи, до создания БИС АЦП и БИС ЦАП по различным технологиям.

Цифроаналоговые преобразователи.

БИС ЦАП условно подразделяют на две группы:

1)ЦАП с резистивными матрицами;

2)безматричные ЦАП.

По способу формирования сигнала БИС ЦАП первой группы подразделяют на два типа: с суммированием токов и с делением напряжения, а БИС второй группы – также на два типа: с активными делителями тока и стохастические [5, 8].

37

Схемотехническая реализация различных ЦАП приведена на рис. 8.1.-8.2.

Рис. 8.1. Схемы ЦАП с использованием сумматора на ОУ (а) и ЦАП на основе ОУ с использованием транзисторных ключей и ИОН (б)

Рис. 8.2. ЦАП на операционном усилителе с использованием матрицы типа R—2R

Аналого-цифровые преобразователи.

К настоящему времени разработаны и широко применяются несколько основных разновидностей АЦП [5, 8, 10]:

-АЦП двойного интегрирования;

-АЦП последовательного счета;

-АЦП поразрядного уравновешивания (последовательного приближения);

38

-АЦП параллельного действия.

Основными параметрами преобразователей являются динамический диапазон входных сигналов, передаточная характеристика преобразования, число уровней квантования, цена младшего значащего разряда (МЗР) преобразования (ширина канала), быстродействие, погрешности преобразования (дифференциальная и интегральная нелинейности преобразования).

Схемотехническая реализация различных АЦП приведена на рис. 8.3.-8.7 [10].

Рис. 8.3. Структурная схема АЦП параллельного действия: где ULSB – вес младшего разряда в единицах напряжения; Uref - опорное

напряжение; Ue- входной аналоговый сигнал.

39

Рис. 8.4. Структурная схема АЦП с двойным интегрированием

Рис. 8.5. АЦП, основанный на методе взвешивания

Рис. 8.6. Следящий АЦП

40

Рис. 8.7. АЦП с использованием пилообразного напряжения

Принцип действия представленных ЦАП и АЦП достаточно подробно изложен в [5, 8, 10].

3.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.По согласованию с преподавателем выберите типы АЦП и ЦАП для изучения. Целесообразным является выбрать разрядность АЦП и ЦАП в диапазоне от 2 до 5.

2.Соберите в OrCad схемы АЦП и ЦАП.

3.Соберите следующую структуру: генератор аналогового сигнала, АЦП, ЦАП. Вид аналогового сигнала согласуйте с преподавателем.

4.Получите сигналы на выходе АЦП и ЦАП. Сопоставьте входной аналоговый сигнал и его преобразование после АЦП и ЦАП. Постройте временные и спектральные диаграммы сигналов.

5.Определите ошибки преобразования сигнала, задержки распространения, уровень напряжения на один разряд.

6.Исследуйте изменение преобразования при условии изменения внешних факторов (температуры окружающей среды, диапазона технологического разброса пассивных элементов, нестабильности напряжения питания и опорного напряжения и др.).

7.Покажите преподавателю результаты выполнения работы и оформите отчет.