01-ТТЛ (Методические указания для лабораторных работ)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ имени Н.Э.БАУМАНА

Кафедра РК-10

Б.Б.Михайлов, О.И.Елисеева

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ №1

«Интегральные логические элементы транзисторно-

транзисторной логики (ТТЛ)»

по курсу «Элементы электроники и микропроцессорной

техники РТС»

Москва

2007г.

I. Цель работы – исследование основных характеристик и параметров интегральных элементов ТТЛ серии К155.

II. Принцип действия элементов ТТЛ.

О сновная схема элемента ТТЛ имеет структуру, соответствующую логической операции «штрих Шеффера» (И-НЕ) Y = X₁ X₂ X₃ . В простейшем случае она представляет собой соединение схемы «И», состоящей из многоэмиттерного транзистора и инвертора на обычном транзисторе (рис.1а, б).

Многоэмиттерный транзистор эквивалентен нескольким n-р-n транзисторам, у которых объединены базы и коллекторы (рис.1в). Если на эмиттер одного из транзисторов подать напряжение логического нуля, например, соединить его с общей шиной, то этот транзистор будет насыщен от U_и.п через резистор R_Б . Направление на базе VT2 при этом близко к нулю, VТ2 закрыт, и на выходе схемы появляется высокий потенциал U¹_вых, близкий к U_и.п.

рис. 1

Для того, чтобы на выходе схемы был низкий потенциал U⁰_вых необходимо одновременно на все эмиттеры подать направление, близкое к U_и.п. Транзисторы VТ1.1, VТ1.2, VТ1.3 при этом переходят в инверсный режим работы, при котором коллектор и эмиттер меняются местами по выполняемым функциям. Переходы база–коллектор транзисторов открываются напрежением U_и.п и через них насыщается транзистор VТ2. В результате направление на выходе элемента падает до уровня, определяемого остаточным падением направления на транзисторе VТ2. Это напряжение является напряжением логического нуля схемы. Таким образом, элемент ТТЛ относится к схемам положительной логики, для которой высокий потенциал U¹_вых  U_и.п соответствует уровню логической единицы, а низкий потенциал U⁰_вых  0 - уровню логического нуля. В реальных микросхемах ТТЛ уровень логической единицы находится в диапазоне от +2.4В до +5В (U_и.п), а уровень логического нуля - в диапазоне от 0В до 0.4В.

.

III. Основные характеристики и параметры элементов ТТЛ.

Основной статической характеристикой микросхем ТТЛ является передаточная характеристика, определяемая зависимостью U_вых = f (U_вх ), показанной на рис. 3. На ней можно выделить 3 области: область I – нахождения микросхемы в состоянии логической единицы, область III – нахождения микросхемы в состоянии логического нуля и активную, или переходную область II.

Передаточной характеристике соответствуют следующие статистические параметры элементов ТТЛ:

U⁰_вых - выходное напряжение логического нуля;

U¹_вых - выходное напряжение логической единицы;

U¹_пор - наименьшее (пороговое) значение высокого уровня напряжения на входе, при котором микросхема переходит из состояния «0» в активную область;

U⁰_пор - наибольшее (пороговое) значение низкого уровня напряжения на входе, при котором микросхема переходит из состояния «I» в активную область;

(U¹_пор - U⁰_пор ) - ширина активной области;

U_пор - абсолютный порог переключения;

U⁺_п.ст - наибольшее значение допустимого напряжения помехи положительной полярности, которое вызывает переход микросхемы из состояния логической единицы в активную область;

U^-_п.ст - статическая помехоустойчивость - наибольшее значение допустимого напряжения помехи отрицательной полярности относительно напряжения U¹_вх, которое не вызывает переход микросхемы из состояния логического нуля в активную область;

U⁺ _п.ст - статическая помехоустойчивость – наибольшее значение допустимого напряжения статической помехи положительной полярности относительно напряжения U⁰_вх, которое не вызывает переход микросхемы из состояния логической единицы в активную область.

Передаточная характеристика измеряется при различных значениях напряжения питания, температуры и сопротивления нагрузки.

Динамические свойства микросхем оцениваются следующими основными параметрами (рис. 4)

рис. 3

рис. 4

f _вх - частота следования входных импульсов;

t^1,0 - время перехода микросхемы из состояния логической единицы в состояние логического нуля – интервал времени, в течение которого напряжение на выходе микросхемы переходит от напряжения логической единицы к напряжению логического нуля, измеренный на уровнях 0,1 и 0,9 U_вых ;

t ^0,1 - время перехода микросхемы из состояния логического нуля в состояние логической единицы – интервал времени, в течение которого напряжение на выходе микросхемы переходит от напряжения логического нуля к напряжению логической единицы, измеренный на уровнях 0,1 и 0,9 U_вых ;

t^0,1_зд - время задержки включения – интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе напряжения на выходе микросхемы от напряжения логической единицы к напряжению логического нуля, измеренный на уровне 0,1 U_вх и 0,9 U_вых;

t^0,1_зд - время задержки выключения – интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе напряжения на выходе микросхемы от напряжения логического нуля к напряжению логической единицы, измеренный на уровня 0,9 U_вх и 0,1 U_вых;

t^1,0_зд.р - время задержки распространения сигнала при включении – интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе напряжения на выходе микросхемы от напряжения логической единицы к напряжению логического нуля, измеренный на уровне 0,5;

t^0,1_зд.р - время задержки распространения сигнала при выключении – интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе напряжения на выходе микросхемы от напряжения логического нуля к напряжению логической единицы, измеренный на уровне 0,5.

Важными параметрами, определяющими возможность использования микросхем, являются коэффициент объединения по входу (K_об) и коэффициент разветвления по выходу (К_раз ). K_об показывает, какое наибольшее количество входов может иметь логический элемент. Обычно К_об является заданным самой конструкцией микросхем. Коэффициент разветвления по выходу К_раз (или нагрузочная способность) интегральной схемы показывает количество схем этой же серии, которые могут быть присоединены к выходу данной схемы без нарушения ее работоспособности. Критерием достижения максимально допустимой нагрузки является уменьшение выходного напряжения логической единицы до предельного значения.

IV. Описание лабораторной установки УМ-16.

Лабораторная установка УМ-16 предназначена для исследования интегральных микросхем цифровых логических элементов. Она состоит из 4-х основных частей: платы исследуемой микросхемы, электронного блока выработки входных сигналов, блока нагрузки и блока питания.

Электронный блок выработки входных сигналов содержит генераторы импульсов 1-го и 2-го каналов, коммутатор импульсов, генератор пилообразного напряжения (ГПН) и источник синхронизирующих импульсов. Частота следования входных импульсов 75 ± 20% кГц.

Схема электронного блока позволяет осуществить:

1. р егулировку уровня логического нуля импульсов ( ) в пределах от 0 до 7 В;

2. регулировку уровня логической единицы импульсов ( ) в пределах от 0 до 8 В;

3. р егулировку длительности импульсов ( ) от 0,1 до 2,5 мкс;

4. задержку импульсов 1-го канала относительно импульсов 2-го канала на время от 0,1 до 2,5 мкс;

5. синхронизацию изображения импульсов на экране осциллографа с помощью пилообразного сигнала синхронизации амплитудой 2,4 В;

Р учки управления электронного блока выведены на лицевую панель и расположены в ее левой части. Функциональное назначение каждого органа управления обозначено условными знаками, в которых стрелка указывает регулируемый параметр. Для импульсов 1-го и 2-го каналов эти обозначения имеют вид . Регулировка времени задержки «τ задержки» импульсов 1-го канала относительно импульсов 2-го канала осуществляется двумя ручками «грубо» и «плавно». Генератор пилообразного направления ГПН имеет регулировку амплитуды вырабатываемого сигнала .Длительность прямого хода пилообразного сигнала 13 мкс, длительность обратного хода 0,8 мкс. Источники сигналов подсоединяются к исследуемому элементу соединительными проводами через коммутационные гнезда.

Блок нагрузок состоит из магазинов сопротивлений, конденсаторов и индуктивностей. Каждый магазин содержит по два переключателя. Он позволяет изменять значения элементов нагрузки: сопротивлений от 1 кОм до 100 кОм, конденсаторов от 33 нФ до 0,01 мкФ и индуктивностей от 1 до 500 мкГн. Расположен блок нагрузок в правой части панели. Нагрузка также подсоединяется к исследуемому элементу через соответствующие гнезда.

Для питания исследуемых элементов используются два источника. Напряжение на их выходах менять дискретно в пределах U_и.п = 3В, 4В, 5В, 6,3В с помощью перемычек и гнезд, расположенных под печатной платой исследуемого элемента и плавно в пределах от 0.8 до 1.2 U_ном. Ручки плавной регулировки расположены в верхней части панели возле вольтметров контроля напряжений источников питания.

V. Исследование функционирования элементов «И-НЕ» ТТЛ.

5.1. Включить напряжение сети тумблером, находящимся в верхней правой части панели.

5 .2. Установить напряжение питания U_и.п = U1 = +5В. Соединить гнездо + U1 с гнездом + U_и.п исследуемой микросхемы, а гнездо −U1 - с гнездами « » стенда и −U_и.п микросхемы.

5.3. Установить длительность импульсов порядка 2 µс.

5.4. Ручками «грубо» и «плавно» регулировки задержки импульсов относительно друг друга установить минимальное время задержки.

5 .5. Вход осциллографа ( ) установить в положение « », что соответствует уровню нуля. С помощью ручки ↕ установить луч на первую снизу клетку. Вернуть переключатель входа в положение . Подключая попеременно осциллограф к выходам 1-го и 2-го каналов, установить нижний нулевой уровень импульсов в диапазоне 0…0,3 V (Лог «0») с помощью ручки

5 .6. Аналогично п.5.5. установить верхний уровень импульсов +4 В (Лог «1») с помощью ручки

5.7. Подать импульсы 1-го и 2-го каналов на входы 1 и 2 микросхемы.

5.8. Подключая попеременно осциллограф ко входам 1 и 2 и к выходу 3 элемента, убедиться в нормальном функционировании элемента «И-НЕ». Зарисовать друг под другом сигналы на входах 1 и 2 и выходе 3 микросхемы ( U_вх1 ,U_вх2 ,U_вых):

• при одинаковой длительности импульсов на входах 1 и 2 и нулевой задержке (импульсы начинаются в один и тот же момент времени);

• при различной длительности импульсов на входах 1 и 2 и нулевой задержке;

• при одинаковой длительности импульсов на входах 1 и 2 и задержке равной 1…2 µс.

VI. Исследование статических параметров микросхем ТТЛ серии 155.