Лабораторная работа № 1

ФУНКЦИОНАЛЬНые ПАРАМЕТРы, статические характеристики ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ и методики их ОПРЕДЕЛЕНИя

Цель работы: изучение методики получения статических характеристик типа I= f(U), U_y = f(U_x) и приобретение практического навыка ра­боты с приборами лабораторного стенда; определение функциональных параметров.

Исследование функциональных параметров того или иного ти­па цифровых интегральных микросхем (ИМС) является задачей оди­наково важной, как для разработчиков ИМС, так и для их потреби­телей. Ее актуальность не зависит от степени интеграции ИМС. Лю­бую цифровую ИМС можно рассматривать как некий логический эле­мент, который используется для построения более сложных вычисли­тельных устройств. В свою очередь любая цифровая ИМС сама сос­тоит из логических элементов, расположенных на одном кристалле, чье взаимодействие можно учесть путем анализа функциональных возможностей логических элементов (ЛЭ).

Теоретические сведения.

Параметры логических элементов

Параметры, характеризующие логические элементы (ЛЭ), делятся на следующие группы [I]:

- функциональные, определяющие эксплуатационные возможности ЛЭ;

- измеряемые, представляющие собой измеряемые физические величины, через которые выражаются функциональные параметры;

- режимные, обеспечивающие определенные условия проведения измерений и эксплуатации ЛЭ;

- технико-экономические, позволяющие сравнивать ИС по производственным затратам.

На рис.1 показана обобщенная схема возможных объедине­ний логических элементов в вычислительных устройствах.

Подразумевается, что используются ЛЭ, изготовленные по од­ной и той же технологии, а их логические функции реализуются схемотехнически одинаково. Из наиболее распространенных типов ЛЭ это могут быть, например, транзисторно-транзисторные ло­гические (ТТЛ) схемы, эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ), n-МОП-схемы, комплементарные МОП-схемы и др.

Для исследуемого (заштрихованного на рисунке) ЛЭ справедливы следующие определения функциональных параметров:

L - коэффициент объединения по входу;

п - количество входов ЛЭ;

М - коэффициент объединения по выходу;

т - количество выходов ЛЭ;

N - коэффициент разветвления по выходу. Максимальное допусти­мое значение N(N_Д) называется нагрузочной способностью;

Fi - логическая функция, реализуемая логическим элементом по i-му выходу;

Р_ср - среднее значение потребляемой мощности, в статическом режиме определяемое как

,

где Р_j - мощность, рассеиваемая ЛЭ в j-м логическом сос­тоянии, логическое состояние определяется значениями логических переменных на каждом из n входов.

Измеряемые параметры делятся на статические и динамические. В настоящей лабораторной работе обсуждаются только статические параметры:

- напряжения логических уровней “0” и “1” на входах и выходах ЛЭ;

- величина логического перепада, ;

- помехоустойчивость ЛЭ для рабочих точек и ;

- помехозащищенность ЛЭ для рабочих то­чек и ;

- входной ток для логических уровней и ;

- ток, потребляемый ЛЭ от источника пита­ния в j-м логическом состоянии.

Режимные параметры:

U_ИП - напряжение источника питания;

T_max, T_min - температурный диапазон;

- токи нагрузки, для которых определяются величины логических уровней и .

Условия спецвоздействий, климатические условия также отно­сятся к режимным параметрам ЛЭ.

Ограничения на предельные значения функциональных парамет­ров ЛЭ определяются на основании совместного рассмотрения ста­тических и динамических измеряемых параметров.

Статические характеристики ЛЭ

Все статические измеряемые параметры могут быть определены из расчетных или экспериментально полученных статических харак­теристик ЛЭ, которыми являются:

I_вх = f(U_вх) - входная характеристика;

^U_вых ^{= f(U}_вх⁾ - передаточная характеристика;

_{Iвых = f(Uвых)} - выходная характеристика.

На рис.2 приведены электрические схемы, описывающие ус­ловия получения этих статических характеристик. Полярность напряжений отсчитывается от общей шины, направление тока считается положительным при его втекании в ЛЭ.

Примерный вид статических характеристик (для гипотетического ЛЭ) приведен на рис.3. Передаточная характеристика определяется как для ненагру­женного (N = 0), так и для нагруженного ЛЭ.

При получении выходной характеристики напряжение на входе исследуемого ЛЭ (ЛЭ₁ на рис.2,в) должно формироваться таким же ЛЭ, (ЛЭ₀), нагруженным на L таких же ЛЭ. Причем выходная характеристика исследуемого ЛЭ (ЛЭ₁) для каждого значения L содержит две ветви: одна соответствует (при I_вых = 0), а другая для (при I_вых = 0).

Определение параметров логических элементов

По передаточной характеристике ЛЭ для различных значений коэффициента разветвления по выходу N можно определить логические уровни, величину логического перепада, помехоустойчивость и помехозащищенность ЛЭ [2]. Для определения логических уровней используется вполне разумное пред-положение, что на входе и на выходе ЛЭ они должны быть одинаковыми: . На рис.4 рабочие точки обозначены как Р₀ и Р₁.

Для инвертирующего ЛЭ, (рис.4,а, кривые 1 и 2) рабочие точки определяются как крайние точки пересечения передаточной характеристики и ее зеркального отображения относительно биссектрисы квадранта (масштабы напряжений по обеим осям равны).

Для неинвертирующего ЛЭ (рис.4,б) рабочие точки могут быть получены просто как точки пересечения передаточной характеристики и биссектрисы.

Для обоих типов ЛЭ точка пересечения передаточной характеристики с биссектрисой Р_п (точка неустойчивого равновесия) называется пороговой точкой.

Порядок определения величины помехозащищенности U_пз и помехоустойчивости U_пу показан на рис.4,в, где D₀ и D₁ - точки единичного усиления передаточной характеристики, т.е. точки, в которых тангенс угла наклона касательных равен 1 для неинвертирующего элемента и –1 для инвертирующего ЛЭ. Расстояние между ними по оси U_вх является шириной активной области U_DD передаточной характеристики ЛЭ.

При увеличении коэффициента разветвления по выходу N логические уровни ЛЭ (по крайней мере один их них) изменяются в сторону сближения. Снижение величин до минимально допустимого значения ограничивает возможность дальнейшего увеличения N, что и определяет нагрузочную способ­ность ЛЭ N_д. При этом

Использование входной и выходной характеристик для определения координат рабочих точек, нагрузочной способности и величин входных токов ЛЭ является более универсальным, чем использование передаточной характеристики. Обусловлено это тем, что входная и выходная характеристики содержат информацию о входном и выходном сопротивлении ЛЭ, что позволяет легко определять зависимость рабочих точек от коэффициента разветвления по выходу без дополнительных измерений.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа и с учетом выбранных направлений протекания тока (рис.5,а) I_вых = I_н = –NI_вх. Если выходную и нагрузочную характеристики изобразить в одних координатах, (рис. 5,б), то проекции точек пересечения двух ветвей выходной характеристики с нагрузочной характеристикой на ось U и дают напряжения логических уровней в рабочих точках. В данном примере с ростом N напряжение логического уровня “1” уменьшается, а напряжение логического уровня “0” не изменяется. Отложив на оси U напряжение пороговой точки U_п, полученную из передаточной характеристики, можно определить величину помехозащищенности U_пз для различных N. По графику (рис.5,б) можно определить и величину входных токов ЛЭ1 для каждого значения N. Проекции рабочих точек на ось I дают величину тока I_н, а I_вх = I_н/N. Видно, что с ростом N ток уменьшается в каждом из N элементов с ростом N.

Методика исследования статических характеристик

В состав измерительного стенда входят:

- лабораторный макет со сменными панелями и сменными кабелями с тремя разъемами;

- прибор для наблюдения статических характеристик (ПНСХ);

- осциллограф;

- универсальные вольтметры для измерения напряжения, тока и сопротивления;

- графопостроитель.

Функциональный состав и элементы управления ПНСХ

Прибор для наблюдения статических характеристик (ПНСХ) (рис. 6), разработанный на кафедре ФТИМС и изготовленный на заводе "Протон", используется при исследовании вольтамперных ха­рактеристик полупроводниковых приборов, входных, выходных, пе­редаточных и других статических характеристик цифровых и анало­говых схем.

ПНСХ может использоваться как источник трех постоянных регу­лируемых независимо стабилизированных напряжений с изменяемой по­лярностью и с защитой от перегрузки.

ПНСХ обеспечивает отображение исследуемых характеристик на экране осциллографа и на бумаге графопостроителем.

Функционально прибор состоит из трех блоков: двух блоков источников постоянного напряжения и измерительного блока. Включение прибора осуществляется тумблером Т (“Сеть”).

Напряжение двух источников питания U₁ и U₂ (рис. 6,б) выведено соответственно на клеммы 1 и 2. Их полярность относи­тельно общего полюса устанавливается кнопочными переключателями П1 и П2 (рис. 6,а). Регулировка напряжения осуществляется плав­но - ручками P1, РЗ и грубо - Р2, Р4. Третий источник питания U₃ (рис. 6,б) формирует на клемме 4 постоянную u1 и переменную u2 составляющие напряжения, величина которых регулируется независимо. Напряжение постоянной составляющей u1 и его поляр­ность регулируется ручками плавной - Р6 и грубой - Р5 установки.

Амплитуда переменной составляющей u2 регулируется ручкой Р7, а полярность устанавливается переключателем ПЗ (рис. 6,а).

Включение источников питания осуществляется нажатием кнопок “ПИТАНИЕ” КН1, КН2 и КНЗ. При возникновении перегрузки любого из источников питания загорается соответствующий красный индикатор и напряжение с данной выходной клеммы 1, 2 или 3 автоматически снимается. После устранения при­чины перегрузки для восстановления напряжения на клемме необхо­димо нажать на красную кнопку “СБРОС” соответствующего источника питания.

Измерительный блок содержит источник переменного напряжения с постоянной составляющей, преобразователь ток-напряжение и масштабный усилитель. Источник постоянного смещения служит для задания точки начала отображения исследуемой характеристики. Величина и полярность смещения задаются: грубо - ручкой Р5 и плавно - ручкой Р6. Источник переменного напряжения определяет диапазон исследования характеристики. Амплитуда переменной составляющей регулируется ручкой Р7, а полярность задается переключателем П3. Суммарное напряжение формируется на клемме 3, которая является испытательным выходом блока (выходом, к которому подключается исследуемый образец).

Масштабный усилитель К служит для изменения масштаба изображения исследуемой характеристики по оси Х экрана осциллографа. При этом масштаб изображения

Если у осциллографа нет калиброванного входного усилителя Х, то чувствительность осциллографа постоянна. Как правило,

V_Xосц = 0,1 В/дел.

Величина коэффициента передачи К устанавливается переключателями П7 и П8.

Преобразователь ток-напряжение может работать в двух различных режимах. Выбор режима осуществляется кнопкой Кн5.

1. Кнопка отжата. Режим исследования вольт-амперных характеристик (зависимость тока от напряжения, в том числе входная и выходная характеристики). На ось Y осциллографа подается напряжение, пропорциональное току испытательного выхода (рис.6). В качестве формирующего элемента используется резистор R. Величина его сопротивления устанавливается переключателями П5 и П6. Масштаб изображения при этом:

.

Изменять масштаб можно либо изменяя номинал измерительного резистора R, либо изменяя чувствительность входного усилителя Y осциллографа. Оба способа абсолютно равноправны.

2. Кнопка нажата. Режим исследования передаточных характеристик (зависимость напряжения от напряжения). По оси Y осциллографа выводится напряжение, подаваемое с исследуемого элемента на входную клемму 5.

Кнопка Кн6 служит для поиска точки начала координат на экране осциллографа.

Нажатие кнопки КН4 позволит полученную на экране осциллогра­фа зависимость отобразить на бумаге графопостроителем, подклю­ченным к клеммам 8 и 9. При этом переменная, составляющая напря­жения источника питания U₃ (рис. 6,б) u2 автоматически обнулятся. Для получения изображения характеристики необходимо вручную изменить напряжение u1 (ручки Р5 и Р6).

Источники питания U₁, U₂ и U₃ (рис. 6,б) задают нап­ряжение на клеммах 1, 2 и 3 соответственно. Любые два из них мо­гут быть включены таким образом, что между клеммами 1 - 2, 2 - 4 или 1 - 4 будет получено их суммарное напряжение. Для этого необходи­мо у выбранной пары источников задать разную полярность.

ВНИМАНИЕ! Ни положительный, ни отрицательный полюсы такого спаренного источника напряжения заземлять НЕЛЬЗЯ!

Если в таком включении будет задействован источник питания U₃ (клемма 4), то все кнопки переключателя ПЗ должны быть от­жаты.

Порядок проведения измерений

Принцип формирования изображения вольтамперной характеристики на экране осциллографа. Используя ПНСХ совместно с осциллографом, можно исследуемую характеристику наблюдать на экране для всего допустимого диапазо­на изменения напряжения U или на отдельных его участках в уве­личенном масштабе.

Исследуемый образец G через резистор R подключается к источнику напряжения U = u1 + u2 (рис. 7,а), который создает постоянную составляющую u1 и переменную составляющую u2 напря­жения U (рис. 7,б). Переменная составляющая u2 должна иметь малую скорость изменения d(u2)/dt, чтобы при этом инерционные (частотные) свойства образца G еще не проявлялись.

Наиболее подходящим для этого является линейно изменяющееся во времени напряжение, которое нарастает и спадает с одинаковой постоянной скоростью (рис. 7,б). С целью упрощения измеритель­ного оборудования в качестве переменной составляющей можно исполь­зовать синусоидальное напряжение сети (50 Гц) (рис. 7,в).

Создаваемое на образце G напряжение U (рис. 7,а), через усилитель “Ус.Х”, подается на систему, отклонения электронного лу­ча электронно-луче-вой трубки осциллографа в горизонтальном нап­равлении. Каждому значению напряжения U соответствует опре­деленное напряжение u = IR, падающее на резисторе R и пропорциональное силе тока I_G, протекающего через образец G (рис. 7,а).

Если напряжение u подать через усилитель “Ус.У” на сис­тему отклонения электронного луча электроннолучевой трубки ос­циллографа вертикального направления (рис. 7,а), то на экране будет получена вольтамперная характеристика образца G.

За счет изменения величины и полярности постоянной сос­тавляющей u1 и амплитуды переменной составляющей u2 напряже­ния U можно изменять состояние исследуемого образца, компенси­ровать падение напряжения на измерительном сопротивлении R, вы­бирать участок и масштаб наблюдения характеристики и др.

I Экспериментальное получение вольтамперной характеристики на экране осциллографа с помощью ПНСХ. Схема подключения исследуемого образца и осциллографа к ПНСХ приведена на рис. 8.

К вольтамперным характеристикам относятся зависимости вида I = f(U), в том числе входные I_вх = f(U_вх) и выходные I_вых = f(U_вых) характеристики.

1. Установить на макете панель, соответствующую исследуемому элементу.

2. Подключить к макету левый и средний разъемы кабеля.

3. С помощью универсального вольтметра, включенного в режим изме­рения сопротивления, установить номиналы резисторов в соответствии с вариантом.

4. Подключить к макету правый разъем кабеля.

5. Проверить наличие необходимых коммутаций ПНСХ, осциллографа и графопостроителя (если он используется).

6. Включить осциллограф в режиме внешней развертки.

7. Проверить, чтобы кнопки Kн1, Kн2, КнЗ ПНСХ были отжаты. Включить тумблер “Сеть”.

8. Установить все выходные напряжения равными 0: ручки Р1 (Р3), Р2 (Р4), Р7 - в крайнее левое положение, ручки Р5 и Р6 - примерно в среднее положение. Внимание! Реально среднему положению ручек Р5 и Р6 соответствует некоторое ненулевое напряжение.

9. Соединить выходы используемых источников постоянного напряжения с макетом. Подключить к макету вольтметры для контроля напряжений питания.

10. Включить используемые источники питания (Кн1, Кн2) и установить необходимую величину напряжения.

11. Нажать кнопку Кн6 (поиск 0), отжать кнопки Кн4 (графопостроитель отключен) и Кн5 (режим исследования вольт-амперных характеристик).

12. Переключателем П3 установить необходимую полярность подаваемого на макет напряжения.

13. Ориентировочно установить номинал токоизмерительного резистора R (переключатели П5, П6), коэффициент передачи масштабного усилителя K (переключатели П7, П8) и масштаб усилителя Y осциллографа, исходя из необходимой величины изображения исследуемой характеристики на экране.

14. Включить измерительный блок (Кн3).

15. Ручками смещения луча осциллографа установить на экране положение начала координат.

16. Отжать кнопку Кн6. Ручками Р5 и Р6 окончательно установить напряжение равным 0, контролируя его по положению луча на экране осциллографа.

17. Для получения входной характеристики соединить клемму 3 со входом исследуемого элемента.

18. Ручкой Р7 установить диапазон наблюдения характеристики, ручками Р5 и Р6 - положение начала развертки. Внимание! Не надо путать положение начала координат и начала развертки! Окончательно выбрать масштаб изображения.

19. Зарисовать входную характеристику. Выходные характеристики получаются аналогично. Для этого с 3 клеммой соединяется выход элемента (см. пункт 17), а на вход подается напряжение “0” или “1”.

II Получение характеристик типа U_y = f(U_x).

К характеристикам типа U_y = f(U_x) относятся передаточные характеристики цифровых и линейных схем. Для их получения необ­ходима схема, приведенная на рис. 9. Измерения проводятся аналогично со следующими изменениями по пунктам:

11. Нажать кнопку Кн5 (режим измерения передаточных характеристик).

13. В измерениях не участвует токоизмерительный резистор.

17. Вход соединяется с клеммой 3, выход - с клеммой 5.

Резистивно-транзисторная логика (РТЛ)

Название логического элемента связано с входным и выходным приборами. В РТЛ-элементе (рис.10) входным прибором является резистор, а выходным - транзистор. Основная логическая функция РТЛ - это инверсия, можно построить и функцию ИЛИ-НЕ, подавая сигналы на параллельно включенные входные резисторы (в соответствии с обобщенными логическими элементами на входе тогда реализуется МОНТАЖНОЕ “ИЛИ” на втекающих токах базы транзистора). Самостоятельно РТЛ-элемент используется редко, но является составной частью большого числа других биполярных логических элементов, поэтому нужно уметь его моделировать. Кроме того, РТЛ-элемент весьма прост и на его примере удобно показать методику расчета биполярных схем.

Входная и передаточная характеристики РТЛ. В данной схеме удобнее сначала рассмотреть совместно входную и передаточную характеристики. Анализ начнем с напряжения на входе U_вх = 0 до U_вх = U_{ип (рис.11,а,б).}

Точка А.U_вх = 0, I_вх = 0, U_вых = U_ИП. Входное напряжение подается на базу транзистора, в данной точке U_вх = U_БЭ = 0, p-n-переход Б-Э не смещен, а р-п-переход Б-К транзистора - обратно смещен (на n-коллектор подается потенциал +U_ип, а на p-базу U_Б = 0), следовательно, транзистор в режиме отсечки, все его токи равны нулю.

Точка В. 0 < U_вх ≤ U_БЭгр, на диоде Б-Э положительное смещение, транзистор работает в НАР, эквивалентная схема дли которого показана на рис.11,в. Запишем уравнения по правилам Кирхгофа для данной схемы:

При анализе схем предполагаются известными номиналы источников питания, резисторов и технологические параметры структуры в модели Э.-М.

Пока входное напряжение не равно U_БЭгр, ток диода Б-Э считается равным нулю, транзистор работает в НАР с током I_Э = 0, и только в точке В, когда U_вx = U_БЭгр, ток диода резко возрастает, а выходной потенциал в соответствии с последним уравнением начинает уменьшаться. График входной характеристики (рис.11,а) аналогичен аппроксимирующей зависимости ВАХ для идеальных диодов, а при учете сопротивлений в цепи базы приобретает заметно линейный, омический характер.

Точка С - пороговая точка передаточной характеристики: U_вх = U_вых = U^п Для транзистора в этой точке можно записать, что U_Б = U_К (U_БК = 0), т.е. транзистор находится на границе HP, увеличение далее U_вх (U_БК > 0) означает, по определению, ННР работы. Однако пока U_БK не превысит U_БКгр, р-п-переход Б-К не будет инжектировать и уравнения для описания входной и передаточной характеристик будут такими же, как в представленной выше системе. Перепишем их еще раз в более общем виде :

Эти уравнения являются входной и передаточной характеристиками РТЛ-схемы до точки С^/ когда U_БК = U_БКгр , т.е. U_вх – U_вых ≥ U_БКгр (при упрощающем условии R1 = 0).

Точка D. В диапазоне входных напряжений от точки С^/ до точки D транзистор работает в ННР, для анализа необходимо использовать соответствующую полную модель Э.-М. (рис.11,г). График передаточной характеристики можно строить в этом диапазоне только при помощи итерационного алгоритма, максимальные значения токов базы и коллектора рассчитываются с учетом сопротивлений областей базы и коллектора:

Легко рассчитать величину выходного напряжения U⁰_вых при подаче на вход максимального напряжения U_вх = U_ип. Воспользовавшись уравнениями итерационного алгоритма, а также уравнением для расчета падения напряжения на полностью открытом насыщенном транзисторе, получим выражение для расчета второй координаты точки D:

Выходная характеристика РТЛ. Выходных характеристик РТЛ-элемен-та две для двух логических состояний. На рис.12,а показаны электрические схемы РТЛ для “0” и ”1” на входе. Проведем анализ этих схем.

На входе “0”. В этом состоянии транзистор закрыт, величину выходного тока определяет только резистор в коллекторной цепи. Уравнение выходной ВАХ записывается по закону Ома:

_If

^{График этой характеристики показан на рис.12,б. U}_вых ^{= U1 =U}_ИП^{, I}_вых ^{= 0.}

На входе “1”. Транзистор работает в насыщенном режиме (рис.12,а), ток рассчитывается при помощи итерационного алгоритма. График выходной характеристики представляет собой насыщенный участок ВАХ транзистора (рис.12,в) при максимальном входном токе I¹_вх. Величина выходного уровня U⁰ = U_Кэнас определяется при помощи уравнений, выведенных выше, это точка пересечения ВАХ транзистора и ВАХ I_н нагрузочного резистора R2.

Таким образом, получены аналитические зависимости для входной, выходной и передаточной характеристик. Обработка расчетных или экспериментальных графиков этих характеристик позволит определить все необходимые функциональные и измеряемые параметры схемы. Например, величина логического перепада достаточно велика (ΔU_лог = U_ИП – U_Кэнас ≈ U_ИП, помехозащищенность по “1” U¹_пз = U_ИП – U_БЭгр составляет несколько вольт, зато помехозащищенность по “0” мала: U⁰_пз = U_БЭгр – U_КЭнас,

ее величина меньше одного вольта.

Содержание лабораторной работы

В качестве образца используются РТЛ-элементы (резистивно-транзистор-ная логика) (макет №1). Номиналы резисторов и значения величин источников питания указаны в табл.1 для каждой бригады.

1. Получить входную характеристику для одного из логических элементов макета (см. рис.2,а).

2. Получить передаточную характеристику (см. рис.2,б) для различных значений N (см. табл.1).

3. Получить выходную характеристику (две ветви: для уровня логического “0” и для уровня логической “1” на входе) (см. рис.2,в) для различных значений параметра L (см. табл.1).

4. Определить по полученным характеристикам параметры логических элементов. Результаты представить в форме табл.2.

Отчет по каждой лабораторной работе оформляется индивидуально в тетради, в которой изображаются полученные графики характеристик.

По данной лабораторной работе отчет должен содержать:

1. Название и номер лабораторной работы.

2. Конспект необходимых для защиты лабораторной работы теоретических сведений.

3. Электрические схемы подключения инвертора к приборам стенда.

4. Представленные в тет­ради полученные экспериментальные зависимсти.

5. Заполненную таблицу №2.

Таблица 1