1
ĆWICZENIE LABORATORYJNE Nr 3
Temat: Badanie bramek logicznych DTL i inwertora CMOS
Cel ćwiczenia: Poznanie budowy i zasad działania bramek logicznych zbudowanych z
elementów bipolarnych i CMOS oraz pomiary ich charakterystyk.
Tematyka sprawdzianu wstępnego:
1. Symbole graficzne i tabelki prawdy bramek logicznych: AND, OR, NOT, NAND, NOR,
EX-OR, EX-NOR.
2. Budowa (schemat ideowy), działanie, charakterystyki przejściowe U
O
=f(U
I
) i poboru
prądu ze źródła zasilania I
CC
=f(U
I
), I
DD
=f(U
I
) inwertora DTL i CMOS oraz 2- wejściowej
bramki NAND-DTL. Czas propagacji t
p
, czasy narastania t
r
i opadania t
f
zboczy impulsu,
czas trwania t
i
impulsu.
3. Charakterystyka wejściowa (przy jakiej wartości napięcia U
BE
zaczyna płynąć prąd bazy
I
B
i prąd kolektora I
C
) i wyjściowa tranzystora bipolarnego (np. BC107) występującego w
układzie DTL, jego prosta obciążenia. W jakich stanach przebywa tranzystor w układach
cyfrowych (zaznaczyć punkty pracy tranzystora na charakterystyce wyjściowej i prostej
obciążenia w stanie L i stanie H na wyjściu układu DTL)? Warunki nasycenia i zatkania
tranzystora bipolarnego. Narysować uproszczone modele tranzystora bipolarnego w
stanie a) nasycenia, b)zatkania i uzasadnić, dlaczego można takie modele stosować.
4. Charakterystyka diody krzemowej detekcyjnej i diody Shotky’ego, napięcia U
P
oraz U
F
–
nazwy i przybliżone wartości tych napięć.
5. Symbole i charakterystyki przejściowe tranzystorów MOS z kanałem indukowanym typu
# i typu P (narysować i opisać). Co oznaczają podawane w katalogach parametry
tranzystorów MOS: BV
DSS
(Breakdown V
DS
przy V
GS
=0V), V
GS(TH)
, I
D(O#)
, r
DS(O#)
, g
fs
,
t
d(O#)
, t
d(OFF)
, C
ISS
, C
OSS
, C
RSS
. Warunki włączenia i odcięcia tranzystorów N-MOS i
P-MOS z kanałem indukowanym.
6. Dołączyć do źródła zasilania: a) tranzystor N-MOS, b) tranzystor P-MOS tak, aby był: a)
w stanie nienasycenia (włączony), b) w stanie odcięcia (wyłączony) i wskazać jego
punkty pracy na charakterystyce przejściowej.
Wyposażenie stanowiska laboratoryjnego
1. Panel projektowy GL-24 (lub GL-12F) z uszkami pomiarowymi.
2. Płytki drukowane T2 i T5 z badanymi układami.
3. Przewody do łączenia miernika (zamiast zwory J1) i układów pomiarowych.
4. Zasilacz stabilizowany.
5. Woltomierz cyfrowy (2 szt.).
6. Miernik uniwersalny.
7. Generator fali prostokątnej.
8. Oscyloskop dwukanałowy.
Uwaga: Panel projektowy GL24, płytki T2 i T5, uszka pomiarowe i przewody do połączeń są
pokazane w Dodatku A. Montując układ pomiarowy należy utworzyć z uszek
pomiarowych punkt pomiarowy wejściowy (PP1) z lewej strony płytki i punkt
pomiarowy wyjściowy (PP2) z prawej – jak na rys. A1. Do tych punktów
pomiarowych należy dołączać przyrządy pomiarowe (generator, oscyloskop,
woltomierze).
2
Treść ćwiczenia
3.1. Pomiar parametrów statycznych bramki DTL
a) Na panelu GL-24 (lub GL-12F) zmontować układ pomiarowy jak na rys. 3.1.
b) Podając na wejścia A i B napięcia U
IA
i U
IB
o wartościach jak w tabl. 3.1a zmierzyć
wartości napięć U
C
i U
OF
(uzupełnić tabl. 3.1a).
c) Przyjmując konwencję dodatnią w zakresie napięć dodatnich, tzn. że zakres napięć
(0.0....+1.5V) odpowiada ‘0’, a zakres (+3.5...+5.0V) odpowiada ‘1’, uzupełnić kolumnę
F i określić jaką funkcję realizuje układ z rys. 3.1.
d) Odłączyć rezystor R
B2
(wyjmując zworę J2). Zwierając diodę D3 (zworą J1) i podając
napięcia U
IA
, U
IB
jak w tabl. 3.1 zaobserwować zmiany w działaniu układu z rys. 3.1.
Jaką rolę pełni dioda D3?
e) Wykonać pomiary napięcia wyjściowego U
OF
i prądu I
CC
pobieranego ze źródła zasilania
w funkcji napięcia wejściowego U
I
=0.0...+5.0V. Wyniki pomiarów umieścić w tabl. 3.1b.
Na podstawie wyników pomiarów wykreślić na jednym rysunku charakterystykę
przejściową U
O
=f(U
I
) oraz charakterystykę poboru prądu ze źródła I
CC
=f(U
I
) dla badanej
bramki DTL.
Rys. 3.1. Bramka logiczna NAND-DTL
A
B
D1
D2
V
V
D3
T
mA
Ucc=+5V
CC
I
O
U
1
C
R
K
=
F
2
B
R
=
5
1
K
K
C
1
B
R
= 10
5
K
K
C
U
I
U
J2
J1
3
Tabela 3.1a.
A
U
IA
[V]
B
U
IB
[V]
U
C
[V]
U
OF
[V]
F=..........
0
0.0
0
0.0
0
0.0
1
+5.0
1
+5.0
0
0.0
1
+5.0
1
+5.0
Tabela 3.1b.
U
IA(B)
[V]
U
OF
[V]
I
CC
[mA]
3.2. Pomiar parametrów dynamicznych bramki DTL
Rys. 3.2. Układ do pomiaru parametrów dynamicznych bramki NAND-DTL
a) Do wyjścia F układu z rys. 3.2 dołączyć kanał B (2) oscyloskopu.
b) Do wejścia informacyjnego A (lub B) dołączyć generator impulsów prostokątnych
o amplitudzie U
G
=+5V i częstotliwości ok. 10. kHz oraz kanał A (1) oscyloskopu.
Oscyloskop synchronizować z kanału A (1).
c) Podając na wejście sterujące B (lub A) poziomy ‘0’(0.0V) i ‘1’ (+5.0V) zaobserwować
działanie układu. Jak zachowuje się układ, jeśli wejście sterujące jest odłączone („wisi
w powietrzu”)?
d) Odłączyć rezystor R
B2
(wyjmując zworę J2) i zaobserwować, jaki jest wpływ rezystora
R
B2
na czas włączania i czas wyłączania tranzystora T.
e) Dołączyć do wyjścia F obciążenie R
L
=1k, C
L
=56pF i zaobserwować wpływ dołączonego
obciążenia na poziom i kształt sygnału wyjściowego.
Ucc=+5V
A
B
A
B
D1
D2
D3
T
G
OSC
A
B
GND
A
U
F
2
B
R
=
5
1
K
K
1
B
R
=
10
5
K
K
1
C
R
K
=
J2
4
f) Naszkicować obserwowane przebiegi na wejściu A i wyjściu F oraz zmierzyć parametry
impulsu wyjściowego (wpisać do tabeli 3.2):
Tabela 3.2.
R
B2
=5k
R
B2
odłączony
t
i
[ns]
t
r
[ns]
t
f
[ns]
t
pHL
[ns]
t
pLH
[ns]
f
max
[MHz]
•
t
r
– czas narastania zbocza na wyjściu,
•
t
f
– czas opadania zbocza na wyjściu,
•
t
i
– czas trwania impulsu wyjściowego,
•
t
pHL
– czas propagacji zbocza opadającego,
•
t
pLH
– czas propagacji zbocza narastającego,
•
f
max
– maksymalną częstotliwość sygnałów przenoszoną przez bramkę bez
zniekształceń przy R
B2
=5k i R
B2
odłączonym.
3.3. Pomiar parametrów statycznych inwertora CMOS
a) Na panelu GL24 (lub GL12F) zmontować układ pomiarowy jak na rys. 3.3.
b) Ustawiając wartości U
I
wg tabl. 3.3a i mierząc wartości U
O
sprawdzić działanie inwertora
(uzupełnić tabl. 3.3a) i zaobserwować zjawisko zatrzaskiwania w układzie CMOS. Na
czym to zjawisko polega?
c) Przeprowadzić pomiary napięcia wyjściowego U
O
oraz prądu I
DD
pobieranego ze źródła
zasilania w funkcji napięcia wyjściowego U
I
. Wyniki wpisać do tabeli 3.3b.
d) Na podstawie wyników pomiarów z tabeli 3.3b wykreślić na jednym rysunku
charakterystyki U
O
=f(U
I
) oraz I
DD
=f(U
I
) i wyjaśnić ich kształt.
Tabela 3.3a.
A
U
I
[V]
U
O
[V]
F=
0
1
Tabela 3.3b.
U
I
[V]
U
O
[V]
I
DD
[mA]
[µA]
5
Rys. 3.3. Inverter CMOS
Tranzystory:……………
T1
T2
Typ
Kanał
U
Ddmax
[v]
I
Dmax
[mA]
U
Gsmax
[V]
U
TH
[V]
..
..
..
mA
V
V
..
..
T1
.
.
.
.
T2
.
.
.
.
O
U
5
DD
U
V
= +
DD
I
I
U
F
A
Uwaga:
T1: VP 2206, T2: VN 2224 – U
DD
=+4V
T1: IRFD9120, T2: IRFD110 - U
DD
=+6V
6
3.4. Pomiar parametrów dynamicznych inwertora CMOS
Rys. 3.4. Układ do pomiaru parametrów dynamicznych invertera CMOS
a) Na panelu GL24 (lub GL12F) połączyć układ pomiarowy jak na rys. 3.4.
b) Zmieniając poziom sygnału z generatora G fali prostokątnej w granicach 0V....U
DD
obserwować kształt napięcia U
O
. Przy jakim poziomie U
I
inwertor działa poprawnie?
c) Dołączyć do wyjścia F obciążenie R
L
=1k, C
L
=56pF i zaobserwować wpływ obciążenia
na poziom i kształt sygnału wyjściowego.
d) Naszkicować przebiegi U
I
oraz U
O
w poprawnie działającym układzie bez obciążenia i z
obciążeniem i pomierzyć parametry dynamiczne inwertora (tabl. 3.4).Jak wpływa
obciążenie na kształt impulsu wyjściowego - dlaczego?
LL
Tabela 3.4.
Bez obciążenia
Z obciążeniem
t
i
[ns]
t
r
[ns]
t
f
[ns]
t
pHL
[ns]
t
pLH
[ns]
f
max
[MHz]
Udd=+5V
A
B
..
..
..
..
..
Gen
OSC
A
B
GND
..
T1
.
.
.
.
T2
.
.
.
.
SS
U
O
U
F
A
I
U
Patrz Uwaga na
rys. 3.3
R
L
C
L
R
L
=1kΩ
C
L
=56pF
7
Dodatek A
1 – na tych listwach wszystkie punktu są zwarte
2 – na tych listwach te punkty są zwarte w każdej kolumnie i służą do łączenia układów
PP1, PP2 – punkty pomiarowe wejściowy i wyjściowy
+U – na tych listwach będzie napięcie zasilania po dołączeniu panelu do zasilacza
G#D – na tych listwach będzie masa zasilacza (GROUND)
Rys. A1 Panel projektowy GL-24 z płytką T2
Rys A2. Płytki T2 (NAND-DTL) i T5 (NOT-CMOS)
zwora J1
zwora J3
zwora J2
PP2
PP1
1
1
2
1
+U
+U
GND
GND
2