Гевондян, Иванов, Радюкевич - Электронные ключи ([МиС] Лабораторная №1)

Московский Государственный Технический Университет

имени Н.Э.Баумана

К. Т. Гевондян

C . Р . Иванов

В. В. Радюкевич

ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ

Методические указания к выполнению лабораторных работ

по курсу « Микроэлектроника »

Москва 2006

ВВЕДЕНИЕ

При построении современных систем логических элементов видное место занимают ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) и ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) ключи. Для правильного применения ключей и изучения их свойств необходимо познакомиться с совокупностью их электрических параметров и характеристик. Обычно ключи типа ТТЛ и ЭСЛ имеют несколько входов, что позволяет реализовать за счет этого различные логические функции. В частности, для положительной логики ( когда логической единице соответствует высокий уровень напряжения, а логическому нулю - низкий), которую будем рассматривать в дальнейшем, на ТТЛ-ключах можно реализовать логическую функцию m И-НЕ, а на ЭСЛ-ключах с парафазным выходом – логические функции

m ИЛИ-НЕ / m ИЛИ, где m – количество входов ключа.

К числу основных характеристик ключей относятся:передаточная – зависимость напряжения на выходе схемы от напряжения на входе Uвых=f1(Uвх);

входная – зависимость входного тока ключа от входного напряжения Iвх=f2(Uвх);

выходная – зависимость выходного напряжения от нагрузочного тока Uвых=f3(Iвых) (обычно снимают две выходные характеристики, соответствующие единичному и нулевому состояниям ключа);

переходная (амплитудно-временная) – зависимость выходного напряжения ключа от времени при подаче на вход(ы) заданных сигналов Uвых=f4(t).

Определенная обработка перечисленных характеристик позволяет найти ряд основных параметров ключей.

Ниже рассматриваются методики получения основных характеристик ключей и их последующая обработка для отыскания основных параметров исследуемых ключей.

Рис.1 Схема снятия передаточной характеристики ключа

динамическим способом

Н а рис. 1 показано получение передаточной характеристики динамическим способом. Для этого на один из входов исследуемого ключа подается пилообразное напряжение, а все остальные входы объединяются и присоединяются к источнику питания напряжения с уровнем, соответствующим логической единице (логическому нулю). Выход ключа нагружается на один или несколько входов аналогичных ключей. Далее на экране осциллографа (при внешней синхронизации) наблюдаются входное пилообразное напряжение и изменение выходного напряжения (рис. 2).

Рис.2 Осциллограммы сигналов на входе и выходе ключа

при снятии передаточной характеристики динамическим

способом

Поскольку Uвх линейно зависти от времени t, а Uвых также является функцией времени, то легко установить связь между выходным и входным напряжением, т.е. получит передаточную характеристику ключа. Для этого по наклону пологого участка “пилы” прогнозируется точка пересечения этой ветви с осью времени, и в эту точку переносится начало координат графиков: Uвх = 1(t) и

Uвых =  2(t). Так как Uвх=kt, то на второй осциллограмме Uвых =  2(t) переменная t однозначно отображает переменную Uвх, что и требуется.

В зависимости от типа ключа его передаточная характеристика может иметь вид,

Рис.3 Передаточная характеристика ключа Рис.3 Передаточная характеристика ключа

инвертирующего типа неинвертирующего типа

изображенный на рис. 3 (инвертирующий ключ) и на рис. 4 (не инвертирующий ключ). Последовательность обработки передаточных характеристик обоих типов одинакова и сводится к следующим действиям.

На передаточной характеристике намечаются точки А и В, в которых касательные к графику идут под углом 45, т.е. где dUвых/dUвх = 1 и эти точки проектируются с использованием нанесенной на график линии равного усиления Uвых=Uвх на оси абсцисс и ординат

(рис.3 и 4).

В результате выполнения операции будут определены:

U¹ и Uº - соответственно напряжения логической единицы и логического нуля, т. е. значения высокого и низкого уровней напряжения. Эти напряжения могут быть отнесены ко входной или выходной цепям ключа и поэтому получают соответствующие дополнительные индексы в обозначении (U¹вх , Uºвх , U¹вых , Uºвых);

U¹пор и Uºпор – пороговые напряжения логической единицы и логического нуля, т.е. наименьшее (наибльшее) значение высокого (низкого) напряжения на входе ключа, при котором он начинает изменять свое состояние. На рис. 3 и 4смена состояния ключа происходит на участке между точками А и В.

Найденные уровни напряжения позволяют оценить логический перепад

∆Uвых = U¹вых-Uºвых, положительную ∆U⁺n=Uºвх.пор-Uºвх и отрицательную ∆U⁻n=U¹вх-U¹вх.пор статические помехи, а также статическую помехоустойчивость ключа Un.ст как меньшую из двух получаемых величин ∆U⁺n и ∆U⁻n. Здесь Un.ст определяется на входе схемы как максимально допустимое отклонение напряжения, при котором ещё не происходит изменения уровней выходного напряжения ключа.

Легко показать, что ключи, у которых нет петли гистерезиса на передаточной характеристике, могут иметь статическую помехоустойчивость не более половины логического перепада. Поэтому по степени отклонения от единицы отношения статической помехоустойчивости к половине логического перепада можно судить о качестве спроектированной схемы.

При снятии входной характеристики на один из входов подают изменяющееся напряжение в пределах 0…Еn и наблюдают в его цепи ток. При этом все остальные входы объединяют и присоединяют к источнику с уровнем напряжения, соответствующим логической единице

(нулю). Выходная цепь исследуемого элемента при этом остается ненагруженной (рис. 5 и 6)

Пользуясь входной характеристикой схемы, можно отыскать такие параметры ключа, как

I¹вх и Iºвх - входные токи логической единицы и нуля, т. е. токи во входной цепи ключа при подаче на его вход напряжения логической единицы U¹вх и нуля Uºвх. Примерный вид входных характеристик ТТЛ- и ЭСЛ-ключей и способ оценки параметров I¹вх и Iºвх приводятся на рис. 7 и 8.

При снятии выходной характеристики ключа (рис. 9-12) в его входной цепи создают комбинацию входных сигналов, переводящую исследуемый ключ в состояние логического нуля или логической единицы. Выходную цепь ключа присоединяют к источнику тока и, изменяя нагрузочный ток, регистрируют изменения выходного напряжения. Схемы получения выходных характеристик ключей показаны на рис. 9 и 10 для ТТЛ-ключей и рис.11 и 12 для ЭСЛ-ключей.

Рис.5 Схема снятия входной Рис.6 Схема снятия входной

характеристики ТТЛ- характеристики ЭСЛ-

ключа ключа

Рис.7 Типичный вид входной Рис.8 Типичный вид входной

характеристики ТТЛ-ключа характеристики ЭСЛ-ключа

Рис.9 Схема снятия выходной Рис.10 Схема снятия выходной

характеристики ТТЛ-ключа характеристики ТТЛ-ключа

в состоянии логического нуля в состоянии логической единицы

Рис.11 Схема снятия выходной Рис.12 Схема снятия выходной

характеристики ЭСЛ-ключа в характеристики ЭСЛ-ключа в

состоянии логической единицы состоянии логического нуля

Полученные характеристики используются для оценки

I¹вых и Iºвых – выходных токов логической единицы и логического нуля. Это токи в выходной цепи ключа, которым соответствует на выходе ключа напряжение логической единицы и логического нуля. Примерный вид выходных характеристик ТТЛ- и ЭСЛ-ключей показан на рис. 13 и 14.

Рис.13 Типичный вид выходных Рис.14 Типичный вид выходных

характеристик ТТЛ-ключа характеристик ЭСЛ-ключа

при различных логических при различных логических

состояниях на выходе состояниях на выходе

Найденные параметры ключа I¹вх , Iºвх, I¹вых и Iºвых используются затем для оценки коэффициента разветвления по выходу Краз. Этот параметр определяет число единичных нагрузок – аналогичных ключей, которое можно одновременно подключить к выходу ключа; Краз есть меньший из двух коэффициентов разветвления

Важно знать, какую мощность потребляет исследуемая схема. Различаются и - соответственно потребляемые схемой мощности в состоянии логической единицы и логического нуля. Они оцениваются через измеряемые в цепях источников питания токи (рис. 15) в соответствующих состояния ключа и напряжения источников питания :

Здесь К – количество источников питания в схеме ключа.

Рис.15 Схема оценки потребляемого ключом тока

от источника питания

В качестве параметра ключа используется также и средняя потребляемая мощность от источников питания . Динамические свойства ключа (его быстродействие) оцениваются обычно по переходной (амплитудно-временной) характеристике. Для этого (рис. 16) на один вход схемы подают импульсный сигнал (при получении переходной характеристики – это идеальный прямоугольный импульс), все другие входы объединяют и подают на них уровень напряжения, который отключает эти (для ТТЛ-ключа высокий уровень напряжения, а для ЭСЛ-ключа - низкий). На выход схемы присоединяется нагрузка в соответствии с найденным Краз. На экране осциллографа, работающего в режиме внешней синхронизации, наблюдают входной и выходной сигналы ключа. Используемые для оценки быстродействия ключа параметры и методика их получения отображены на рис. 17.

Рис.16 Схема оценки временных