Логические элементы: Методические указания к лабораторным работам по дисциплинам ''Вычислительная техника'', ''Схемотехника''

Министерство образования Российской Федерации

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра приборостроения

Е.А. Корнев

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторным работам по дисциплинам «Вычислительная техника», «Схемотехника»

Логические элементы

Оренбург 2001

ББК 32.97.я7 К-67 УДК 681.3 (07)

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторным работам по дисциплинам «Вычислительная техника», «Схемотехника»

Логические элементы

Введение Все лабораторные работы изучаемой дисциплины разбиты на ряд тематических блоков: - логические элементы; - комбинационные схемы; - триггерные и пересчетные устройства; - управляющие устройства; - схемотехника интерфейсов; - запоминающие устройства; - схемотехника АЦП и ЦАП. Настоящие методические указания содержат краткое описание принципов работы логических элементов типа RTL, DTL, CMOS и TTL и порядок проведения лабораторной работы № 1 «Логические элементы». Цель работы: Изучение основ построения логических элементов различных типов, сравнение их преимуществ и недостатков; приобретение навыков в сборке и анализе функционирования логических элементов на уровне микросхем малой и средней степени интеграции.

2

1 Логические элементы RTL - типа RTL- элементы появились одними из первых в микроэлектронике. Это были 60-е годы. Относительная простота их реализации на технологическом уровне тех лет позволяла выполнять интегральные схемы (ИС) малой степени интеграции. На рисунке 1.1 показана электрическая схема RTL-элемента, выполняющего логическую функцию 3ИЛИ-НЕ.

Рисунок 1.1- Электрическая схема RTL - элемента 3ИЛИ-НЕ В схеме используется биполярный транзистор n-p-n типа, который работает в ключевом режиме. В исходном состоянии, когда входной сигнал на всех контактах Х1, Х2, Х3 равен логическому нулю (лог.«0»), потенциал базы близок к нулевому значению и отсутствуют базовый и коллекторный токи транзистора Т1. Следовательно, транзистор Т1 находится в закрытом состоянии (транзисторный ключ разомкнут). На выходе элемента «Y» в этом случае устанавливается высокий потенциал, близкий к потенциалу источника питания «+Е», что соответствует лог. «1» на выходе. Если на любой из входов элемента подать лог. «1», то базовый ток транзистора увеличится, потечет коллекторный ток и транзистор откроется, потенциал коллектора будет близок к нулевому значению (транзисторный ключ замкнут). На выходе «Y» логического элемента появится низкий потенциал лог. «0». Таким образом, лог. «1» на любом из трех входов инвертируется элементом в лог. «0» на выходе, что соответствует логической операции 3ИЛИНЕТ. Недостатки RTL-элементов: -низкая технологичность из-за необходимости применения высокостабильных резисторов; -высокая потребляемая мощность; -малые коэффициенты разветвления и объединения; -низкая нагрузочная способность; 3

-относительно низкое быстродействие из-за насыщенного режима работы транзистора, высоких постоянных времени входных цепей и высокого выходного сопротивления. Контрольные вопросы 1 Поясните принцип работы RTL-элемента. 2 Составьте таблицу истинности для элемента 3ИЛИ-НЕТ. 3 От чего зависит потребляемая мощность RTL-элемента? 4 В чем состоят недостатки RTL-элемента?

2 Логические элементы DTL - типа Базовые DTL-элементы реализуют логическую функцию И-НЕ. Функция И выполняется на диодной группе, а функцию усилителя-инвертора выполняет транзистор (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1- Электрическая схема DTL - элемента 3И-НЕ. Схема работает следующим образом. В исходном состоянии, когда на три входа поданы лог. «1» (высокий уровень) и диоды закрыты, через резистор R1 и переход база-эмиттер протекает базовый ток, транзистор Т1 находится в «замкнутом» состоянии, на выходе «Y» присутствует низкий потенциал, т. е. лог. «0». Если на любой из входов схемы подать низкий потенциал (лог. «0»), то основная часть базового тока ответвится в цепь диод – источник сигнала, при этом базовый ток транзистора уменьшится и транзистор перейдет в «разомкнутое» состояние, а на выходе схемы появится лог. «1». Таким образом, только при наличии на трех входах лог. «1» элемент на выходе устанавливает лог. «0», т. е. реализует логическую операцию 3И-НЕ. Схема, представленная на рисунке 2.1, имеет только некоторые преимущества перед схемой на рисунке 1.1 благодаря применению диодов во входных цепях элемента, но им свойственна также низкая технологичность изза разнородности применяемых электронных компонент. 4

Контрольные вопросы 1 Поясните принцип работы DTL-элемента. 2 Опишите таблицу истинности для элемента 3И-НЕ. 3 Приведите преимущества и недостатки DTL- элемента в сравнении с RTL-элементом?

3 Логические элементы TTL- типа В настоящее время TTL-элементы, особенно элементы TTL-Шоттки, являются наиболее распространенными в интегральной схемотехнике по сравнению с другими типами биполярных элементов. Они представляют собой технологически улучшенный вариант элементов DTL-типа. Схема простейшего TTL-элемента представлена на рисунке 3.1. Вместо группы входных диодов, включенных в элементы DTL-типа, в TTL-элементах используется технология изготовления многоэмиттерных транзисторов (транзистор Т1 на рисунке 3.1).

Рисунок 3.1 - Электрическая схема TTL-элемента ЗИ-НЕ

Рисунок 3.2 -Электрическая схема TTL-элемента ЗИ-НЕ с повторителем

В логическом элементе на рисунке 3.1 реализуется функция 3И-НЕ. Элемент работает аналогично DTL-элементу. Как DTL-, так и TTL-элементы можно усложнять и улучшать, используя дополнительные усилители. На рисунке 3.2 показан базовый TTL-элемент, использующийся в ИС низкого и среднего уровней интеграции. На базе элемента И-НЕ может быть построен более сложный элемент, выполняющий логическую функцию 3И-2ИЛИ-НЕ (рисунок 3.3). В настоящее время TTL-элементы применяются практически только в "силовых" логических схемах, во входных и выходных цепях БИС благодаря сочетанию таких качеств как высокая нагрузочная способность и быстродействие при относительно невысоком потреблении. Широкое распространение получили серии ТТL-микросхем с диодами Шоттки, которые 5

обладают более высоким быстродействием и низким потреблением в сравнении с обычными ТТL-схемами.

Рисунок 3.3 - Электрическая схема TTL - элемента типа 3И-ИЛИ -НЕ Контрольные вопросы 1 Самостоятельно изучите и поясните принцип работы различных TTLэлементов, представленных на рисунке 3.1, 3.2. 2 Опишите таблицу истинности для конкретного элемента 3И-ИЛИ -НЕ. 3 От чего зависит потребляемая мощность TTL-элемента? 4 Перечислите основные преимущества и недостатки TTL-элементов в сравнении с RTL- и DTL-элементами?

4 Логические элементы КМОП (CMOS) - типа Комплементарные элементы типа КМОП (CMOS) строятся по технологии «металл-окись-полупроводник». Схема элемента КМОП типа И-НЕ показана на рисунке 4.1. Обычно элементы строятся только на МОП - транзисторах с разным, взаимодополняющим (комплементарным) типом проводимости – на транзисторах с индуцированными n-каналами (Т3, Т4) и p-каналами (Т1, Т2). Рассмотрим принцип действия КМОП - элемента. Пусть, например, в исходном состоянии на обоих входах присутствует лог. «0». В этом случае верхние транзисторы Т1 и Т2 будут открыты, а нижние транзисторы Т3, Т4 будут закрыты. На выходе будет установлена лог. «1», но ток в микросхеме протекать не будет из-за закрытых транзисторов Т3, Т4. Если теперь на входе Х1 элемента (рисунок 4.1) изменить состояние с лог. «1» на лог. «0», а на входе Х2 – оставить лог. «1», то транзисторы Т1, Т4 откроются, а транзисторы Т2, Т3 - закроются. Смена входных сигналов приводит лишь к смене состояний Т1, Т4 и Т2, Т3, но состояние лог. «1» на выходе не меняется и ток после переключения также не течет. Аналогичная ситуация будет с элементом при лог. «1» на входе Х1 и лог. «0» на входе Х2 (только транзисторы Т1, Т4 закроются, а Т1, Т4 откроются).

6

Однако одновременная подача на оба входа лог. «1» приводит к открытому состоянию Т3, Т4 и к закрытому состоянию Т1, Т2, при этом на выходе устанавливается лог. «0», но и в этом состоянии ток в схеме также не проходит. Следовательно, в КМОП-элементе энергия потребляется только лишь во время переключений, т.е. в моменты смены состояний элемента из лог. «1» в лог. «0» и наоборот. Потребляемая элементом энергия зависит от частоты переключений и расходуется в основном на перезаряд емкостей нагрузки, паразитных емкостей монтажа и выводов элемента, а также межэлектродных внутренних емкостей транзисторов. Таким образом, КМОП- элементы обладают самыми лучшими показателями по потребляемой мощности из всех типов логических элементов. Кроме того, КМОП- элементы имеют высокую помехозащищенность и являются высокотехнологичными, так как не содержат в своих схемах разнородных элементов, таких как резисторы, диоды и т.п. Высокая плотность размещения элементов на единицу площади кристалла также свойственна этим элементам.

Рисунок 4.1 - Электрическая схема КМОП-типа 2И-НЕ на транзисторах с индуцированными каналами n (T3, T4)- и p (T1, T2)-типа К недостаткам КМОП - элементов можно отнести: -сравнительно низкое быстродействие относительно TTL-элементов; -низкая устойчивость к статическому электричеству, поэтому внутри элементов предусматриваются защитные диоды, изготавливаемые в едином технологическом цикле; -паразитное влияние p-n-p и n-p-n - переходов, которые возникают в кристалле как побочные переходы в КМОП структурах, размещаемых на одном кремниевом кристалле. Эти паразитные биполярные структуры иногда отрицательно оказываются на поведении КМОП - элементов, вызывая так называемый тиристорный эффект, искажающий передаточную характеристику элемента. Контрольные вопросы 1 Поясните принцип работы КМОП-элемента. 7

2 Опишите таблицу истинности для конкретного элемента. 3 От чего зависит потребляемая мощность КМОП-элемента динамическом режиме? 4 Какой основной недостаток КМОП-элемента?

в

5 Дополнительные задания и контрольные вопросы 5.1 Поясните назначение основных элементов учебного стенда (см. раздел 6). 5.2 Изучите техническое описание и инструкцию по эксплуатации осциллографа и перечислите назначение его основных органов управления. 5.3 Каким образом измеряется мощность в электрической цепи? 5.4 Дайте полную классификацию логических элементов. 5.5 Проведите сравнение технических характеристик различных логических элементов, отметьте преимущества и недостатки каждого из них. 5.6 Каковы технологические особенности логических элементов того или иного типа, их преимущества и недостатки ? 5.7 Объясните работу всех приведенных в описании лабораторной работы схем, их особенности.

6 Краткое описание учебного «Цифровая электроника»

универсального

стенда

Лицевая панель стенда разбита на 11 функциональных полей. Три поля "ИС" содержат сокеты для микросхем с разным количеством выводов (16, 18 и 24). Вокруг каждой сокеты расположены контакты, подключенные к соответствующим контактам сокет. В верхней части панели расположена область "ИНДИКАТОРЫ", содержащая 16 индикаторных светодиодов, подключенных к контактам. В нижней части панели расположены три области "Счетчик" (А, В и С) с индикаторами состояний, контактами и управляющими кнопками. С помощью счетчиков можно задавать четырехразрядные логические комбинации на входах изучаемых интегральных схем. Область "Генераторы" содержит управляющие элементы и контакты, с которых можно подавать на изучаемую схему регулируемое постоянное напряжение (0...5 В), одиночные прямоугольные импульсы либо последовательность прямоугольных или пилообразных импульсов. Кроме того, на лицевой панели стенда расположены контакты общей шины стенда (область "Общ."), напряжения питания (область "+5В") и выключатель питания стенда с индикатором (область "Сеть").

8

7 Порядок выполнения лабораторной работы В процессе самостоятельной работы выполните следующее: -получите от преподавателя вариант тестируемых микросхем (таблица 1) на занятии, предшествующем данной лабораторной работе; -изучите основы построения и принципы действия логических элементов типа НЕ, И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, исключающее ИЛИ и исключающее ИЛИНЕ по основной и дополнительной литературе; -проработайте методические указания к настоящей лабораторной работе; -нарисуйте схемы включения всех предложенных к проверке микросхем, используя общепринятые, приведенные в справочниках для выполнения электрических схем, обозначения логических элементов, источников питания, светодиодов, общих шин, клемм и проводников, переключателей (тумблеров) логических уровней. Пример выполнения схемы включения показан на рисунке 7.1. -составьте таблицы истинности для тестируемых логических элементов; Таблица 1- Типы тестируемых микросхем Вариант 1 2 3

Типы тестируемых микросхем 155ЛН1, 155ЛИ1,155ЛА1, 155ЛП5 155ЛН1, 155ЛА4, 155ЛЕ1, 155ЛП12 155ЛН5, 561ЛА7, 155ЛЕ1, 155ЛП5

Рисунок 7.1- Пример выполнения схемы включения микросхемы ВНИМАНИЕ! Соблюдайте правила техники безопасности при работе со стендом и приборами как при работе с электрическими установками ! Сетевое питание на стенд и питание на тестируемые схемы подавайте только после полного монтажа схемы и проверки монтажа лаборантом ! При выполнении работы в лабораторном классе: -повторите методические указания к настоящей лабораторной работе и ознакомьтесь с органами управления и индикации на лицевой панели стенда; 9

-заполните таблицу истинности для различных логических элементов (таблица 2); -представьте преподавателю заполненные в процессе самостоятельной работы все таблицы истинности и схемы включения микросхем, ответьте на контрольные вопросы и получите у преподавателя разрешение на проведение лабораторной работы; -вставьте в сокету стенда одну из испытуемых логических микросхем типа НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ заданного преподавателем варианта в соответствии с таблицей 1 и Приложением А. Внимательно соберите с помощью перемычек схему включения микросхемы согласно схем, составленных при подготовке, проверьте самостоятельно монтаж схемы и представьте его для проверки преподавателю или лаборанту; -получите экспериментально таблицы истинности, задавая поочередно на входы микросхемы с помощью перемычек все комбинации входных логических воздействий лог. «1» (гнездо «+5 В») и лог. «0» (гнездо «⊥») и наблюдая отклики на выходе схемы с помощью светодиодов. Сравните экспериментальные таблицы истинности с таблицами, составленными до проведения опыта; -измерьте мощность, потребляемую микросхемой; -определите статическую передаточную характеристику микросхемы в соответствии с подразделом 8.1.2 настоящих указаний; -определите постоянные времени выходных сигналов Т10 и Т01, задержку распространения сигнала D в соответствии с подразделом 8.2; -повторите описанные выше операции для остальных микросхем заданной строки в таблице 1; -демонтируйте схему, аккуратно сложите все проводники и компоненты и вместе со стендом передайте лаборанту; -подготовьте отчет по лабораторной работе и представьте его для защиты и получения зачета. Таблица 2- Таблица истинности для логических элементов Комбина ции входных переменных

10

X

Y

0 0 1 1

0 1 0 1

Значение выходной логической функции И Х*Y

ИЛИ

И-НЕ

ИЛИ-НЕ

X+Y

 Х*Y

 X+Y

Искл. ИЛИ-НЕ

Искл. ИЛИ

X⊗Y

X⊕Y

8 Общие методические указания 8.1 Определение статической передаточной характеристики Статическая передаточная характеристика (СПХ) может быть построена двумя способами: по точкам, вручную (это наиболее точный способ) или автоматически с помощью развертки на осциллографе по осям X, Y. 8.1.1 Построение первым способом Для построения СПХ необходимо следующее оборудование: -два цифровых вольтметра с входным сопротивлением не менее 1 мОм и пределом измерений от 0 до 15 В с точностью измерений не хуже 1%; -источник стабильного напряжения на 15-20 В с коэффициентом нестабильности не более 0,5%; -лабораторный стенд, содержащий двухступенчатый потенциометр с температурной нестабильностью не хуже 0,5%. Схема эксперимента приведена на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1- Схема характеристики (способ 1)

для

измерения

статической

передаточной

Для снятия характеристики на вход элемента с помощью потенциометров подается с малым приращением входное напряжение в диапазоне значений от 0 В до величины напряжения питания элемента. С помощью вольтметров контролируются входное и выходное напряжения. Значения этих напряжений фиксируются на графике. 8.1.2 Построение вторым способом Для автоматического визуального наблюдения СПХ необходимы: -осциллограф с диапазоном рабочих частот усилителя от 0 до 1 MHz; -генератор пилообразого напряжения с линейностью не хуже 5% с рабочим диапазоном частот от 10 Hz до 1 MHz. Схема эксперимента представлена на рисунке 8.2. 11

Рисунок 8.2- Схема характеристики (способ 2)

для

измерения

статической

передаточной

Для наблюдения СПХ на вход исследуемого инвертора необходимо подать пилообразный сигнал, синхронизированный с разверткой осциллографа (вход X). Сигнал с выхода инвертора необходимо подать на вход Y. На экране осциллографа при этом появится изображение СПХ, масштабы по осям которой будут зависеть от частоты развертки, амплитуды пилообразного напряжения и установленному на панели осциллографа пределу измерения по входу Y. Определив все эти величины, а также напряжение питания исследуемого инвертора можно установить истинный масштаб изображения СПХ. По статической передаточной характеристике определите статический коэффициент усиления и порог срабатывания. Статический коэффициент усиления определяется как производная dV/dU в области порога срабатывания элемента, где V - выходное напряжение, а U входное напряжение логического элемента; Порог срабатывания (Vп) логического элемента определяется как точка пересечения прямой и обратной СПХ. 8.2 Определение постоянных времени и задержки распространения сигнала Постоянные времени T10 и T01 определяются по осциллограмме выходных сигналов логического элемента при подаче на вход прямоугольных импульсов по формулам (1) и (2) T10 =Vп/[dV/dt],

(1)

где Vп- порог срабатывания элемента, В. T01 =(E-Vп)/[dV/dt], где E - амплитуда выходных сигналов, В. Схема эксперимента показана на рисунке 8.3.

12

(2)

Рисунок 8.3 - Схема для измерения постоянных времени Определение задержки распространения сигнала D осуществляется согласно схеме рисунка 8.4 по формуле D = (1/F-3t)/3,

(3)

где F- частота генерируемых импульсов, Гц t- задержка распространения одного элемента, с. Определяется по формулам (4), (5), (6) t=(t0+t1)/2

4)

t0 =T01Vп/(E-Vп)

(5)

t1 =T10 (E-Vп)/Vп

(6)

Рисунок 8.4- Схема измерения задержки распространения сигнала

9 Содержание отчета Отчет должен содержать: -теоретический материал в объеме, достаточном для успешной защиты выполненной лабораторной работы; -схемы, составленные в процессе подготовки и проведения работы; 13

-результаты исследования схем, которые тестировались на стенде; -выводы по лабораторной работе.

Список использованных источников 1 Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: МИР, 1994. -540 с. 2 Фролкин В.Т., Попов Л.Н. Импульсные и цифровые устройства: Учебное пособие для ВУЗов.-М.: Радио и связь, 1992. - 236 с. 3 Вьюхин В.В. и др. Информатика и вычислительная техника: Учебное пособие. /Под редакцией В.А. Ларионова.- М.: Высшая школа, 1992. 245 с. 4 Нарышкин А.К. Импульсные устройства ЭВМ, приборов и систем. -М.: Энергоатомиздат, 1991. -322 с. 5 Пятибратов А.П. и др. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник. –М.: Финансы и статистика, 1998.-400 с. 6 Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника.- М.: МИР, 1982.271 с. 7 Букреев И.Н., Мансуров Б.М., Горячев В.И. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. -М.: "Советское радио", 1975. -317 с.

14

Приложение А (обязательное) Обозначения и маркировка выводов микросхем

15