CHARAKTERYSTYKI BRAMEK CYFROWYCH CMOS
Transkrypt
CHARAKTERYSTYKI BRAMEK CYFROWYCH CMOS
P.Rz. K.P.E. Laboratorium Elektroniki 2FD 2003/10/16 CHARAKTERYSTYKI BRAMEK CYFROWYCH CMOS 1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest eksperymentalne zilustrowanie zasad działania i podstawowych parametrów elektrycznych funktorów logicznych wykonanych w technologiach CMOS 2. WSTĘP Tematem ćwiczenia są podstawowe właściwości elementarnych bramek logicznych CMOS. Układ badany umożliwia obserwację statycznych charakterystyk przejściowych uwy=f(uwe), obserwację prądu zasilającego bramki w funkcji napięcia wejściowego iCC=f(uwe,) a także wybranych właściwości dynamicznych bramek. 3. OPIS TECHNICZNO-FUNKCJONALNY WKŁADKI DM101C A. Wkładka DM101C zawiera kilka układów, badanych w poszczególnych eksperymentach a) buforowana bramka CMOS typu NOR, połączona w układ inwertera (B1-MCY74002), b) niebuforowany inwerter CMOS - bramka B11 układu MCY74069, c) kaskada czterech buforowanych inwerterów CMOS z układu MCY74001-bramki B7,B8,B9,B10, d) kaskada czterech niebuforowanych inwerterów CMOS z układu MCY74069- bramki B12, B13, B14, B15 e) układ impulsowego pobudzenia kaskad bramek CMOS do obserwacji czasu propagacji sygnału przez bramki (bramki B3,B4,B5 układu 7403 i tranzystor T1), f) wzmacniacz 741 służący do zwiększenia zakresu napięcia wyjściowego wkładki SN7212 przy obserwacji charakterystyk przejściowych bramek CMOS. g) bramki ECL z układu MC 10109, (badane w odrębnym ćwiczeniu) Płytę czołowa wkładki DM101C wraz z opisami gniazd i przełączników przedstawiono na Rys.1., a jej schemat ideowy na Rys.2. B. Badane bramki zasilane są z zasilacza bramek logicznych SN0312. W celu zasilania odpowiednich bramek napięcie zasilające należy dołączyć do gniazda "suppły CMOS" Podczas obserwacji statycznych charakterystyk przejściowych oraz statycznych charakterystyk poboru prądu zasilania badane bramki CMOS należy sterować sygnałem z wkładki SN7212 doprowadzonym do wejścia "CMOS input". Sygnał ten, po wzmocnieniu, doprowadzony jest do wejścia badanej bramki CMOS, oraz do wyjścia "x osc out". Do tego wyjścia dołączane jest wejście X oscyloskopu (zamiast wyjścia "x osc" na wkładce SN7212). Przebieg wyjściowy badanej bramki doprowadzony jest do wyjścia "CMOS outputs" A i B. Dołączenie zasilania, Rys.1. Płyta czołowa wkładki DM101 C wejścia i wyjścia odpowiedniej bramki do gniazd na płycie czołowej dokonywane jest za pomocą przełącznika "gates select". W położeniu "002" obserwacji podlega bramka B1 w położeniu "069" obserwacji podlega bramka B11 C Po dołączeniu do wejścia "CMOS input" napięcia generatora stanów logicznych SN1211 możliwy jest pomiar charakterystyk wyjściowych bramek B1 i B11 za pomocą wkładki SN1521. P.Rz. K.P.E. Laboratorium Elektroniki 2FD 2003/10/16 D W położeniu "001" przełącznika "gates select" zasilane są kaskady bramek B7 – B10 oraz B12 –B15. dla których można dokonać pomiarów opóźnienia czasowego. Podczas obserwacji opóźnienia sygnałów wnoszonego przez bramki CMOS, należy doprowadzić sygnał prostokątny z wyjścia "TTL" generatora SN3012 do wejścia "shaper input". Do obserwacji dostępne są sygnały na wejściu bramek (gniazdo "gates input") oraz na wyjściach bramek (gniazda "output 069" oraz "output 001 "). Zamiast wkładki SN3012 można wykorzystać generator stacjonarny. Rys.2. Schemat ideowy wkładki DM101C 4 WYKAZ APARATURY POMOCNICZEJ I OPIS WYBRANYCH WKŁADEK Do wykonania ćwiczenia potrzebne są następujące przyrządy pomiarowe: - dwukanałowa wkładka charakterograficzna XY - SN7212. - generator stanów logicznych dwukanałowy - SN1211 - generator impulsów prostokątnych - SN3012 - zasilacz bramek logicznych - SN0312 - regulowane obciążenie - SN1521 - oscyloskop dwukanałowy P.Rz. K.P.E. Laboratorium Elektroniki 2FD 2003/10/16 Dwukanałowa wkładka charakterograficzna SN7212 Dwukanałowa wkładka charakterograficzna SN7212 (Rys.3) umożliwia jednoczesną obserwację na ekranie oscyloskopu dwóch napięciowych charakterystyk przejściowych układu badanego, bez konieczności stosowania dodatkowego przełącznika elektronicznego. Działanie tej wkładki polega na wykorzystaniu do rysowania drugiej charakterystyki powrotnego biegu strumienia elektronowego. Rozwiązanie to ma również zalety przy pracy jednokanałowej: strumień powrotny rysuje w tym przypadku oś napięć wejściowych, a więc zerowy poziom odniesienia. Dla wygody posługiwania się tą wkładką napięcie wyjściowe ma kształt trapezowy, z dodatkowym płaskim odcinkiem na poziomie zera. Na obserwowanej charakterystyce widoczne są zatem trzy rozjaśnione punkty odpowiadające minimalnemu, zerowemu i maksymalnemu poziomowi napięcia wyjściowego. Na płycie czołowej wkładki znajdują się dwa pokrętła regulacji poziomów minimalnego i maksymalnego oraz gniazda odchylania oscyloskopu X i Y, gniazdo sterowania układu badanego (output) i dwa gniazda wejściowe (input A, input B), do których dołącza się wyjścia układu badanego. Dane techniczne Amplituda napięcia wyjściowego regulowana w zakresie: połówka dodatnia 0 ÷ 6.5 V połówka ujemna 0 ÷ - 6.5 V 5 Rys.3. Płyta czołowa wkładki charakterograficznej XY dwukanałowej SN7212 ZAGADNIENIA WSTĘPNE I PROJEKTOWE Zaprojektować i narysować w protokóle schematy pomiarowe do wszystkich pomiarów opisanych w punkcie 6 instrukcji do tego ćwiczenia 6 OBSERWACJE I POMIARY 6.1. OBSERWACJA STATYCZNYCH CHARAKTERYSTYK PRZEJŚCIOWYCH ZASILAJĄCEGO W FUNKCJI NAPIĘCIA WEJŚCIOWEGO BRAMEK CMOS ORAZ PRĄDU Obejrzeć na ekranie oscyloskopu i przerysować do protokołu. charakterystyki przejściowe oraz charakterystyki prądu zasilającego w funkcji napięcia wejściowego buforowanych i niebuforowanych bramek logicznych CMOS dla napięć zasilających 3V, 5V, 10V z wkładki SN0312 (uwaga! Nie należy włączać dostępnego napięcia ujemnego –5.2V gdyż grozi to uszkodzeniem bramek CMOS). Do obserwacji wykorzystać przystawkę charakterograficzną SN7212. Przy napięciu zasilającym 5V możliwa jest jednoczesna obserwacja charakterystyki przejściowej i charakterystyki prądu zasilającego przy wykorzystaniu obu kanałów wkładki SN7212. Przy napięciach 3 V i 10 V wskazane są jednak niezależne obserwacje i pomiary w.w. charakterystyk. Podyktowane jest to koniecznością ustawienia optymalnych wzmocnień w osi Y oscyloskopu celem zapewnienia dokładnych pomiarów. 6.2. OBSERWACJA PARAMETRÓW DYNAMICZNYCH BRAMEK CMOS Zaobserwować i zmierzyć na oscyloskopie opóźnienie wnoszone przez buforowaną i niebuforowaną bramkę CMOS przy pobudzaniu impulsowym przy różnych napięciach zasilania. Do sterowania bramek wykorzystać wyjście "TTL" generatora SN3012 lub generatora stacjonarnego P.Rz. K.P.E. Laboratorium Elektroniki 2FD 2003/10/16 6.3. POMIAR OBCIĄŻALNOŚCI WYJŚCIOWEJ BRAMEK CMOS Za pomocą wkładki SN1521 zmierzyć prądy wyjściowe buforowanych i niebuforowanych bramek CMOS dla napięć wyjściowych równych progom poziomów logicznych. Pomiary przeprowadzić dla różnych wartości napięcia zasilającego. 7. OPRACOWANIE WYNIKÓW 1. Wyjaśnić uwzględniając budowę wewnetrzną różnice w kształtach obserwowanych charakterystyk przejściowych bramek CMOS, (patrz p. 6.1.) 2. Wyznaczyć zakresy napięć wejściowych określonych poziomami 10% i 90% przy zmianach napęcia wyjściowego na charakterystykach przejściowych 3. Wyznaczyć dla różnych napięć zasilających bramki zakresy napięć wejściowych, dla których prąd zasilania przyjmuje mierzalne w warunkach tego laboratorium wartości. 4. Wyznaczyć wartości napięć wejściowych dla których prąd zasilania osiąga maksimum 5. Porównać zakresy napięciowe wyznaczone w p 7.2 i 7.3 6. Wyjaśnić charakterystykę zasilania prądu zasilania w funkcji napięcia wejściowego uwzględniając budowę wewnętrzną (patrz p. 6.1.) 7. Czy można mówić o liniowych zmianach charakterystyki przejściowej w funkcji napięcia zasilającego? 8. Wyjaśnić co to są bramki buforowane i niebuforowane i jakie są ich zastosowania. 9. Porównać i skomentować wyniki pomiarów dla bramek buforowanych i niebuforowanych, (patrz p. 6.2.) 10. Wyjaśnić zależność czasu propagacji bramek od napięcia zasilającego na podstawie pomiarów (patrz p. 6.2.) 11. Wyjaśnić, jaki jest związek otrzymanych wyników z czasami propagacji sygnałów przez bramki przy zmianach z poziomu wysokiego na niski i z niskiego na wysoki (z czasami tPHL i tPLH) (patrz p. 6.2.) 12. Wyjaśnić kierunek zmian maksymalnego prądu wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego, (patrz p. 6.3.) 13. Określić ograniczenia występujące przy łączeniu bramek CMOS z innymi bramkami CMOS oraz z bramkami wykonanymi w innej technologii/TTL, TTL-LS/. (patrz p. 6.3.)