Методичні вказівки щодо проведення лабораторної роботи "Дослідження логічних ІМС типу ТТЛ"

Дисципліна: "Комп’ютерна логіка та схемотехніка"

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ЩОДО ПРОВЕДЕННЯ ЛАБОРАТОРНОЇ  РОБОТИ

"ДОСЛІДЖЕННЯ ЛОГІЧНИХ ІМС ТИПУ ТТЛ"

    Мети роботи: - вивчити структуру  логічних ІМС типів  ТТЛ  на прикладі мікросхеми К155ЛА3 (SN7400);

                           - вивчити функції, що виконуються логічними ІМС;

                           - дослідити  основні  параметри  логічних мікросхем К155ЛА3 (SN7400).

Короткі теоретичні відомості

ТТЛ-схемами прийнято називати такі логічні ІМС, у  яких логічна операція кон’юнкції виконується за  допомогою  багатоемітерного транзистора npn-типу.

На рисунку 1 показаний найпростіший варіант  схеми  ТТЛ, що  виконує функцію І-НІ.  Якщо на усі входи схеми,  тобто  на  емітери  багатоемітерного транзистора типу npn, подані позитивні напруги, що відповідають логічній одиниці, то  емітерні  переходи зміщаються в зворотному напрямку.        

Рисунок 1- Принципова схема одного логічного елемента ІМС типу ТТЛ

Струм, що надходить у базу багатоемітерного транзистора VT₁  через резистор R₁, проходить у коло колектора, зміщеного в  прямому напрямку, і далі в базу  транзистора, що інвертує,  VT₂.  При цьому транзистор VT₂ переходить у режим насичення, а напруга  на виході схеми відповідає логічному нулю.

Якщо хоча б на один вхід подана напруга логічного нуля, то відповідний емітерний перехід транзистора VT₁ зміщається в прямому напрямку.  Струм, що надходить у базу транзистора VT₁, буде переважно проходити через  цей  перехід.  Колекторний струм транзистора VT₁ зменшується, і транзистор VT₂  замкнеться,  тому що струм у його базі стане менше порога включення. На виході схеми напруга підвищиться до рівня логічної одиниці.

Перевага схеми ТТЛ перед іншими  типами  логічних  ИМС полягає в їхній високій швидкодії, заснованій  на  активній дії механізму переключення вхідного транзистора.  У процесі запирання транзистора VT₂ заряд, накопичений у його  базі,  розряджається через вхідний транзистор, чим забезпечується його  активне розсмоктування.

Недоліками схеми ТТЛ із простим інвертором  є  низька перешкодостійкість (U_п = 0,2...0,3 В) через низьку напругу  відмикання  транзистора, що інвертує, а також невелика навантажувальна здатність (К_роз = 4…6).  Ці недоліки усуваються в схемах  ТТЛ зі складним інвертором (див. рисунок 2).  Ці схеми володіють підвищеної перешкодостійкістю (U_п = 0,7…1  В)  і   навантажувальною    здатністю (К_роз = 10...15).

Рисунок 2 - Схема  ТТЛ зі складним інвертором

 Параметри ІМС підрозділяються на дві групи - статичні і динамічні.

Статичні параметри характеризують роботу ІМС при статичних логічних 0 чи 1 на вході і виході.

До статичних параметрів відносяться:

1. Напруга джерела живлення U_дж.

2. Вхідні і вихідні напруги логічного нуля і логічної одиниці: U_вх0, U_вх1, U_вих0, U_вих1.

3. Коефіцієнт розгалуження К_роз показує кількість входів мікросхем навантажень, який можна підключити до даної мікросхеми без утрати її працездатності (характеризує навантажувальну здатність ІМС).

4. Коефіцієнт об'єднання по входу К_об показує, кількість входів мікросхеми, по яких реалізується виконувана нею функція.

5. Напруга статичної перешкоди U_ст.п. - це максимально припустима статична напруга на вході, при якому мікросхема не утрачає свій працездатності. Даний параметр характеризує перешкодостійкість ІМС.

Динамічні характеристики характеризують роботу ІМС у момент переключення з нуля в  чи одиницю з одиниці в нуль (див. рисунок 3).

Рисунок 3 – Динамічні характеристики ІМС

Порядок виконання лабораторної роботи

1. Вивчіть конструкцію, функціональну і принципову схеми одного логічного елемента ІМС, що виконує логічну операцію  І-НІ, згідно рисунка 2 і рисунка 4.

Рисунок 4 – Конструкція і структурна схема ІМС 7400 (К155ЛА3)

2.  Зберіть на робочому полі програми Electronics Workbench (Multisim) схему дослідження логічної ІМС 2І-НІ серії 7400 згідно рисунка 5. Подайте  на мікросхему  напругу живлення Е_живл = +5 В. Підключіть ІМС типу ТТЛ до вимірювальних приладів.

3. Виконайте віміри вихідних напруг U_вих0 и U_вих1  на  виході логічного елемента мікросхеми, подаючи на вхід  мікросхеми напруги U_вх1 за допомогою тумблерів S₁ та S₂ (див. рисунок 5).

Рисунок 5 - Схема дослідження логічної ІМС 2І-НІ серії 7400

Результати вимірів занесіть у таблицю 1. Переконайтеся, що логічні  елементи  мікросхеми  здійснюють логічну функцію І-НІ.

Таблиця 1

Порівняєте отримані результати з довідковими даними мікросхеми К155ЛА3:

U_вих1, не менш  - 2,4 В

   U_вих0,  не  більш -  0,4 В

4. Зніміть залежність рівнів вихідної  напруги  одного  з логічних елементів від числа навантажувальних елементів (методика досліду згідно схеми на рисунку 6). Число навантажень - 2.

Результати вимірів занесіть у таблицю 2.

Рисунок 6

Таблиця 2

За результатами вимірів побудуйте за допомогою програми Excel  лінію тренда і графічно визначите коефіцієнт розгалуження по виходу К_pозг мікросхеми, порівнявши його з паспортними даними мікросхеми К155ЛА3 (К_pозг = 10).

Результат графічного визначення параметра К_розг виконайте згідно рисунку  7.

Рисунок 7 – Графічне  визначення параметра К_розг

Зробіть висновок про навантажувальну здатність мікросхеми.

5. Зберіть схему згідно рисунку  8. Подайте на входи логічного елемента прямокутні імпульси  і за допомогою осцилографа вимірить параметр ІМС - середній час затримки розповсюдження сигналу t_з.p.с. 

Результати вимірів занесіть у таблицю 3.

Таблиця 3 

Рисунок 8 – Визначення швидкодії ІМС

Порівняєте дослідне значення часу t_зд.p.с  з  довідковими даними мікросхеми К155ЛА3:

 t_{зд.p. l-0}, не більш - 15 нс;

 t_{зд.p. 0-1}, не більш - 22 нс.

Зробіть висновок про швидкодію мікросхеми.

Зміст звіту з лабораторної роботи

1. Назва і мети роботи.

2. Функціональна і принципова (одного  логічного  елемента) схеми мікросхеми К155ЛА3.

3. Таблиці вимірів і графік визначення коефіцієнта розгалуження по виходу.

4. Схеми дослідів ІМС.

4. Висновки про результати досліджень.

5. Короткі відповіді на контрольні питання.

Контрольні  питання

1. Який є вплив збільшення навантаження на вихідний рівень логічної схеми ТТЛ-типу?

2.  Які є способи збільшення швидкодії мікросхем?

Література

1.               Швець Є. Я., Червоний І. Ф., Головко Ю. В. Матеріали і компоненти електроніки : навчальний посібник. - Запоріжжя : ЗДІА, 2011.
2.               Гуржій А.М.,  Поворознюк Н.І. Електричні і радіотехнічні  вимірювання / А.М. Гуржій,  Н.І. Поворознюк. – Київ: Навчальна  книга,  2002.