Общие сведения. 5. 1. Схема и расчет транзисторного ключа по заданным параметрам

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Лабораторная работа 3. ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

5.1. Схема и расчет транзисторного ключа по заданным параметрам.

5.2. Карта потенциалов схемы и статическая передаточная характеристика.

5.3. Временные диаграммы сигналов транзисторного ключа при различных условиях исследования.

5.4. Выводы по результатам исследований.

Получить представление о статических характеристиках и численных значениях основных статических и динамических параметров базовых схем логических элементов цифровых интегральных микросхем серий ТТЛШ К555, К1533 и КМОП К1554. Научиться рассчитывать предельные значения параметров сигналов и внешних компонентов.

Основные параметры и характеристики цифровых интегральных микросхем принято делить на статические и динамические. Статические параметры измеряются при действии постоянных токов и напряжений после окончания переходных процессов, вызванных изменившимися условиями. Динамические параметры измеряют во время переходных процессов.

В работе исследуются базовые схемы ИС ТТЛШ и КМОП, включённые в библиотеку функциональных узлов – макромоделей интегральных микросхем серий К555, К1533 и К1554. Основные параметры исследуемых в лаборатории серий ТТЛШ и КМОП приведены в таблице 1. В процессе лабораторного эксперимента строятся статические передаточные характеристики базовых логических элементов, определяются численные значения основных статических и динамических параметров.

Таблица 1

Наименование параметра, единица измерения	Обозначение	К555	К1533	К1554
Технология		ТТЛШ	ТТЛШ	КМОП
Аналог		74LS	74ALS	74AS
Диапазон напряжений питания, В	UП	5±5%	5±10%	2,0-6,0
Входное напряжение высокого уровня, В	U^1ВХ	2,0	2,0	0,7UП
Входное напряжение низкого уровня, В	U^0ВХ	0,8	0,8	0,3UП
Выходное напряжение высокого уровня, В	U^1ВЫХ	2,7	2,7	UП-0,1
Выходное напряжение низкого уровня, В	U^0ВЫХ	0,5	0,5	0,1
Входной ток высокого уровня, мкА	I^1ВХ	+20	+20	+1
Входной ток низкого уровня, мкА	I^0ВХ	-400	-200	-1
Выходной ток высокого уровня, мА	I^1ВЫХ	-0,4	-0.4	-24
Выходной ток низкого уровня, мА	I^0ВЫХ	+8,0	+8,0	+24
Ток потребления на вентиль, мкА	IП			0,5
Среднее время задержки распространения (ЛА3), нс	tЗД.Р.СР		5,0	4,0
Среднее время задержки распространения (ТМ2) от входа к выходу, нс	tЗД.Р.СР			8,0
Частота переключения D-триггера, МГц	FMAX
Допустимая ёмкость нагрузки, пФ (не более)	CВЫХ
Диапазон температур, ^0С	T^0С	-10 +70	-10 +70	-40 +85

В качестве базовых используются схемы инверторов ЛН1 различных серий, приведенные на рисунках 1-3.

Рисунок 1 - Базовая схема инвертора ТТЛШ серии К555

Рисунок 2 - Базовая схема инвертора ТТЛШ серии К1533

Рисунок 3 - Базовая схема инвертора КМОП серии К1554

Численные значения параметров зависят от типа конкретной микросхемы и определяются схемотехническими особенностями используемой серии. Различают параметры рабочего режима, предельно допустимые режимы эксплуатации, при которых параметры соответствуют нормам, и предельные режимы эксплуатации, при которых параметры микросхемы не регламентируются.

Если в процессе эксплуатации предельные режимы были превышены, дальнейшая работоспособность микросхемы не гарантируется. Численные значения параметров U¹_ВЫХ и U⁰_ВЫХ, указанные в табл.1, соответствуют предельно допустимому режиму эксплуатации, при котором обеспечивается номинальная статическая помехоустойчивость при работе микросхемы в составе цифрового микроэлектронного устройства.

К выходам и входам ЦИС могут подключаться как микросхемы этой же серии, так и микросхемы других серий, а также дискретные компоненты: резисторы, конденсаторы, транзисторы и др. При совместной работе микросхем различных серий возникает необходимость согласования уровней сигналов по току и напряжению. Токи, протекающие через внешние сопротивления, могут оказать существенное влияние на режим работы ЦИС. Поэтому при построении устройств важно правильно выбрать величины внешних сопротивлений, подключаемых к выходу и входу микросхемы.

В качестве основных динамических параметров, характеризующих быстродействие ИМС, используются: среднее время задержки распространения сигнала t_ЗД.СР (зависит от запаздывания сигнала внутри микросхемы, параметров выходного каскада и нагрузки) и время переключения микросхемы, которое оценивают величиной интервалов t⁰¹ или t¹⁰ (зависит от параметров выходного каскада, нагрузки и крутизны фронта/среза входного напряжения).

Выходной каскад большинства цифровых микросхем состоит из двух последовательно включённых транзисторов, один из которых в статическом состоянии всегда закрыт. Поэтому ток нагрузки протекает только через один из транзисторов выходного каскада.

В усилительном режиме оба транзистора открыты, их сопротивления малы и через выходной каскад протекает большой сквозной ток. Если не ограничить время пребывания выходного каскада цифровой микросхемы в усилительном режиме, то температура транзисторов превысит предельную величину и микросхема выйдет из строя.

Ёмкость, подключённая к выходу ЦИС, увеличивает время задержки сигнала и переключения микросхемы. Так как в момент переключения выходного напряжения ёмкостное сопротивление практически равно нулю, через транзисторы выходного каскада протекает ток заряда (разряда) ёмкости, превышающий предельно допустимые значения I¹_ВЫХ.MAX (I⁰_ВЫХ.MAX) во много раз. Время, в течение которого перезаряжается ёмкость нагрузки микросхемы, зависит от постоянной времени цепи τ_ВЫХ.

При работе микросхемы на большую ёмкость нагрузки следует учитывать максимально допустимую мощность рассеивания корпуса микросхемы, которая для стандартных пластмассовых корпусов не превышает 500-600 мВт. Поэтому величину ёмкости нагрузки и длительности фронта (среза) входного напряжения ограничивают.

Например, для большинства микросхем серий Л555 и К1533 ёмкость нагрузки, при которой гарантируется их надёжная работа, не должна превышать 200 пФ, а максимальная продолжительность нарастания и спада входного сигнала, гарантирующие устойчивую работу микросхемы в составе цифрового микроэлектронного устройства, не должна превышать 1 мкс.

Если ёмкость нагрузки превышает максимально допустимое для данной микросхемы значение, в цепь заряда (разряда) ёмкости включают дополнительный резистор, ограничивающий величину выходного тока микросхемы.

Для расширения функциональных возможностей ЦИС в составе серий имеются микросхемы с повышенной нагрузочной способностью и специальные схемы с открытым коллекторным (стоковым) выходом, для которых длительности фронта и среза входного напряжения не ограничены, так как их выходной каскад содержит всего один транзистор.

Кроме того, в составе серий ЦИС имеются триггеры-формирователи (триггеры Шмитта), предназначенные для формирования практически прямоугольных импульсов при любой форме входного напряжения.

Дата добавления: 2015-06-04