close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

abramov

код для вставкиСкачать
Федеральное агенТство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Методические указания
к выполнению лабораторных работ № 1–2
Санкт-Петербург
2008
Составители: А. П. Абрамов, В. В. Опарин
Рецензент доктор технических наук, профессор П. Н. Петров
Методические указания содержат описание лабораторной установки, последовательность и методику проведения измерений, требования
к отчету и контрольные вопросы к лабораторным работам по дисциплинам «Микроэлектроника» и «Электроника» для студентов специальностей 2004, 2007.
Цикл лабораторных работ по курсу «Микроэлектроника» предназначен для закрепления знаний теоретического курса, ознакомления с
современной элементной базой, а также для приобретения студентами
навыков научного исследования и работы с измерительной аппаратурой.
Подготовлены кафедрой электроники и оптической связи и рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.
Редактор Г. Д. Бакастова
Верстальщик С. Б. Мацапура
Сдано в набор 12.02.08. Подписано к печати 19.02.08.
Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.-печ. л. 1,8.
Уч.-изд. л. 1,75. Тираж 100 экз. Заказ № .
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© ГУАП, 2008
Предисловие
Интенсивно развивающаяся электроника в современной науке и технике справедливо считается катализатором научно-технического прогресса, так как без неё не мыслимы ни успехи в освоении космоса и океанских глубин, ни развитие атомной энергетики и вычислительной техники, ни радиовещание и телевидение. Микроэлектроника представляет собой раздел электроники, охватывающий исследования и разработку принципиально
нового типа электронных приборов – интегральных микросхем и
методов их применения.
Интегральная микросхема, изготовленная в едином технологическом цикле, на одной и той же подложке и выполняющая
определенную функцию преобразования информации, представляет собой совокупность многочисленных взаимосвязанных
компонентов. Поэтому специалист, работающий в области микроэлектроники, должен в равной степени владеть её физическими, технологическими и схемотехническими основами, так как
только в этом случае возможна полноценная творческая разработка современных интегральных микросхем.
В основу предлагаемого цикла лабораторных работ по курсу
«Микроэлектроника» положен системный подход к освоению
лекционного материала, создающий общий фундамент, на базе
которого возможна дальнейшая специализация студента в области микроэлектроники. Кроме того, при исследовании функциональных способностей и характеристик интегральных микросхем (ИМС) в лабораторных условиях студенты существенным
образом повышают навыки работы с современными измерительными приборами, в частности с двухканальными осциллографами типа С1-137.
Перед выполнением лабораторной работы студент должен
повторить или усвоить самостоятельно теоретический материал
по теме работы, знать цель работы, принципиальную схему логического элемента, основные свойства и характеристики исследуемых микросхем.
До начала работы в лаборатории каждый студент должен ознакомиться с инструкцией по технике безопасности, о чем делается отметка в специальном журнале.
Лабораторные работы выполняются бригадой из 2–3 студентов на универсальных измерительных стендах УМ16ПС. Все
стенды содержат источники питания, генератор пилообразного
напряжения, генераторы прямоугольных импульсов, разъем
для подключения сменной платы с исследуемой микросхемой,
блок нагрузок в виде магазинов: резисторов, конденсаторов и индуктивностей, а также двухканальный осциллограф.
Монтаж электрической схемы измерений производится с помощью комплекта соединительных проводов в соответствии со
схемой, приведенной в инструкции к лабораторной работе. Собранную схему необходимо предъявить для проверки преподавателю или лаборанту и только с их разрешения включить питание
стенда.
Проведение исследований осуществляется в соответствии с
заданием и в указанной последовательности. Результаты измерений вносят в протокол испытаний, который по окончании исследований должен быть представлен для проверки преподавателю.
В процессе выполнения лабораторной работы возможно возникновение следующих опасных факторов: поражение электрическим током и возникновение пожара вследствие того, что
электропитание лабораторных установок и измерительных приборов осуществляется от электросети напряжением 220В частотой 50 Гц.
В целях обеспечения безопасности при работе на лабораторных установках следует руководствоваться ГОСТ 12.3.019–80
«Испытания и измерения электрические. Общие требования
безопасности». Конструкции лабораторных установок выполнены с учетом требований ОСТ 40.4–78 «Оборудование учебнолабораторное. Общие технические требования». В лабораторных
установках применены стандартные электроизмерительные
приборы, выпускаемые промышленностью с учетом требований
безопасности. Помещение, в котором находятся лабораторные
установки, удовлетворяет требованиям пожарной безопасности
по ГОСТ 12.1.004–76 и санитарным нормам СН-245-71.
При выполнении лабораторной работы запрещается:
– приступать к выполнению лабораторной работы без инструктажа по технике безопасности и разрешения преподавателя;
– включать силовые рубильники в лаборатории;
– самостоятельно ремонтировать лабораторный стенд и измерительные приборы;
– оставлять без наблюдения включенную лабораторную установку;
– изменять конфигурацию схемы при включенном питающем
напряжении;
– загромождать рабочее место портфелями и другими предметами.
Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ И
НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ
ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ К176ЛА7
Цель работы: изучение принципа действия, выполняемой логической функции и нагрузочной способности базового логического элемента, построенного на основе КМОП-структуры [1,2].
В работе исследуется базовый логический элемент, построенный на основе комплиментарной пары МОП-транзисторов, который входит в состав интегральной микросхемы К176ЛА7, изготовленной по планарной технологии. Комплиментарная пара
представляет собой два последовательно соединенных МОПтранзистора с индуцированными каналами различных типов
проводимости. В корпусе микросхемы К176ЛА7 размещены 4
логических элемента, имеющих два независимых друг от друга
входа. Так как все четыре элемента одинаковы по выполняемой
функции и электрической схеме, то для изучения данной микросхемы вполне достаточно исследовать один логический элемент.
Принципиальная схема базового логического элемента показана
на рис. 1.1. Входами данного элемента являются выводы 12 и 13
микросхемы К176ЛА7, а выходом – вывод 11. Напряжение питания подается на вывод 14, а общая шина соединена с выводом
7. При этом шина питания и общая шина («земля») являются
Т1
14
Т2
(+5 В)
Т3
11
13
Т4
12
D1
D2
7
Рис. 1.1. Принципиальная схема базового логического элемента
1
2
3
4
5
6
9
10
8
12
13
11
Рис. 1.2. Условное обозначение микросхемы К176ЛА7 на принципиальных электрических схемах
общими для всех логических элементов, входящих в состав микросхемы.
В микросхеме К176ЛА7 между всеми входами и общей шиной
включены диоды, которые предназначены для защиты МОПтранзисторов от пробоя зарядом статического электричества,
попадающего на их затворы от случайных внешних источников.
Эти диоды не влияют ни на логические функции, реализуемые
логическим элементом (рис. 1.1), ни на его нагрузочную способность.
Условное графическое изображение микросхемы К176ЛА7 в
целом приведено на рис. 1.2.
1.1. Описание лабораторного стенда
Лабораторный стенд состоит из установки УМ16ПС, сменной
платы с исследуемой микросхемой и электронного осциллографа. На сменной плате кроме исследуемой микросхемы представлена принципиальная схема одного из логических элементов,
входящих в ее состав, и указаны номера всех выводов. В состав
установки входят также генератор пилообразного напряжения
(ГПН) и генератор прямоугольных импульсов (ГПИ).
В верхней части установки расположены гнезда источников
питания, измерительные приборы и регулировки выходного
напряжения источников питания; в левой части – регулировки
времени задержки (грубая и плавная) и амплитуды пилообразного напряжения; регулировки нулевого уровня, амплитуды и
длительности импульсов прямоугольной формы.
Генератор пилообразного напря1
2
жения
и каждый генератор прямо3
4
угольных импульсов имеют по четыре выходных гнезда, показанных
Гнезда общей шины
на рис. 1.3. Генератор пилообразногенератора
го напряжения в данной работе не
используется.
Рис. 1.3. Расположение выПри выполнении лабораторной
ходных гнезд ГПН
работы одно из сигнальных гнезд
или ГПИ
ГПИ подключается к соответствующему входу микросхемы К176ЛА7,
а другое – к сигнальному выводу (красного цвета) левого входа
(Y1) осциллографа. Одно из гнезд общей шины ГПИ подключается к общей шине установки УМ16ПС, а другое – к экранирующему выводу (зеленого цвета) левого входа (Y1) осциллографа.
В правой части установки расположен блок нагрузок в виде
магазинов резисторов (R), конденсаторов (C) и индуктивностей
(L), номиналы которых устанавливаются с помощью соответствующих переключателей. Подключение источников питания,
генераторов, исследуемой микросхемы, нагрузок и осциллографа осуществляется с помощью соединительных проводов и соответствующих контактных гнезд. При этом каждый из названных
элементов нагрузки подключается к соответствующим выходным гнездам двумя соединительными проводами.
Для индикации входных и выходных сигналов, а также для
проведения необходимых измерений используется двухканальный осциллограф типа С1-137 или С1-118.
Сигнальные гнезда
1.2. Подготовка к выполнению лабораторной работы
Перед началом работы следует ознакомиться с устройством
лабораторной установки УМ16ПС, органами управления ГПИ и
используемого двухканального осциллографа.
С помощью соединительных проводов необходимо собрать
лабораторный стенд в соответствии с функциональной схемой,
изображенной на рис. 1.4.
Привести в исходное состояние органы управления на лабораторном стенде: установить в крайнее левое положение регулировку выходного напряжения источника питания U1, а также
ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ
+
U1
–
ГПИ
14
МИКРОСХЕМА
7
(1;2)
13
К176ЛА7
11
(3;4)
12
ОСЦИЛЛОГР АФ
Y1
Y2
Рис. 1.4. Функциональная схема лабораторного стенда
регулировки нулевого уровня, амплитуды и длительности выходных импульсов ГПИ.
Задать наиболее удобный режим работы осциллографа: установить переключатель длительности развертки осциллографа
(время/дел.) в положение 2 мкс/дел, переключатели усиления
по каналам Y1 и Y2 осциллографа (V/дел.) в положение 1 V/дел.
При этом одно деление будет соответствовать одной клетке измерительной сетки осциллографа.
Вход синхронизации осциллографа (синхр.) подключить с помощью кабеля к гнезду «синхронизация» лабораторной установки УМ16ПС. Предъявить собранную схему для проверки преподавателю.
1.3. Определение логической функции
базового логического элемента микросхемы к176ла7
Для экспериментального определения логической функции
какого-либо логического элемента необходимо наблюдать значения логической переменной на выходе этого элемента при всех
возможных сочетаниях логических переменных на его входах.
Базовый логический элемент микросхемы К176ЛА7 имеет всего
два входа (x1 и x2), поэтому для этого элемента возможны всего
четыре различных сочетания значений входных переменных (0
и 0, 0 и 1, 1 и 0, 1 и 1). Соответствие между значениями логических переменных и реальными напряжениями, представляющими эти переменные, в общем случае может быть различным.
В данной лабораторной работе исследуется логический элемент,
работающий в положительной логике, когда логическому «0» соответствует низкий уровень напряжения, а логической «1» – высокий.
В экспериментальной установке низкий уровень напряжения принят равным 0, а высокий уровень – напряжению питания +5 В. Используя стандартные обозначения, можно записать:
U0 = 0 В; U1 = +5 В. С учетом этого выбора при определении логической функции базового логического элемента значение логической переменной x2 задается непосредственным соединением
входа 2 с шиной питания +5 В (если x2 = 1) или с общей шиной
(если x2 = 0). Значение логической переменной x1 изменяется
путем подачи на вход 1 прямоугольного импульса напряжения
от специального генератора. При отсутствии импульса напряжения на входе 1 Uвх1 = U0 = 0 В, при наличии импульса Uвх1 = U1 =
= +5 В.
Необходимые измерения рекомендуется проводить в порядке,
который описан ниже.
Включить установку УМ16ПС и осциллограф. Настроить 1-й
канал осциллографа Y1 – установить линию развертки этого канала на нулевой уровень. За нулевой уровень принята вторая снизу горизонтальная линия измерительной сетки, изображенной
на экране осциллографа. Для настройки необходимо сигнальный
штекер канала Y1 отключить от выхода ГПИ и подключить к общей шине установки УМ16ПС. Далее, используя регулировку
смещения луча канала Y1 по вертикали, совместить линию развертки с нулевым уровнем.
Установить напряжение питания микросхемы U1 = +5 В,
контролируя эту величину по экрану осциллографа. Для этого
необходимо сигнальный штекер канала Y1 отключить от общей
шины установки УМ16ПС и подключить к гнезду «+» источника
питания U1. Далее, вращая регулировку напряжения питания
U1 по часовой стрелке, установить линию развертки осциллографа на 5 делений выше нулевого уровня.
Зафиксировав регулировку напряжения питания U1, аналогичным образом настроить 2-й канал осциллографа Y2.
Восстановить все подключения в соответствии с функциональной схемой, показанной на рис. 1.4.
Установить амплитуду UГПИ и длительность tи прямоугольных импульсов, формируемых на выходе ГПИ. С помощью регу10
лировок амплитуды и длительности выходных импульсов ГПИ
установить требуемые значения этих параметров:
– амплитуда – (UГПИ = + 5 В),
– длительность – (tи = 2 мкс),
контролируя их значения с помощью осциллографа. При этом на
выходе ГПИ будет сформирован прямоугольный импульс в соответствии с осциллограммой, приведенной на рис. 1.5.
Прямоугольный импульс ГПИ (рис. 1.5) представляет собой
сигнал (логическую переменную x1), воздействующий на один
из входов (вход 1, гнездо 12) логического элемента микросхемы
К176ЛА7. На другой вход (вход 2, гнездо 13) логического элемента микросхемы К176ЛА7 подается постоянное напряжение
U1 = +5 В (логическая переменная x2).
Определить и зарисовать сигнал, формируемый на выходе логического элемента (гнездо 11). Для этого необходимо с помощью
переключателей (Y1 и Y2) каналов осциллографа отключить канал Y1 и включить канал Y2. Осциллограмма одного из вариантов выходного сигнала приведена на рис. 1.6.
Зарисовать осциллограммы сигналов, формируемых на выходе логического элемента (гнездо 11), и с помощью осциллографа
0
определить относительно нулевого уровня величины U вых
и U вых
при наличии и при отсутствии выходного импульса ГПИ на входе 1 (гнездо 12) логического элемента микросхемы К176ЛА7.
Отключить вход 2 (гнездо 13) логического элемента от источника питания (гнездо «+») и подключить этот вход к общей шине
установки УМ16ПС. В этом случае на вход 2 (гнездо 13) логи-
Уровень
«+5 В»
UГПИ
tи
«Нулевой»
уровень
Рис. 1.5. Осциллограмма выходного импульса ГПИ: развертка по горизонтали – 2 мкс/дел; развертка по вертикали – 1В/дел
11
1
U вых
Уровень
«+5 В»
0
«Нулевой»
уровень
U вых
Рис. 1.6. Осциллограмма выходного сигнала логического элемента
микросхемы К176ЛА7 при воздействии на один из его входов
постоянного напряжения +5 В, а на другой – выходного импульса ГПИ
0
ческого элемента будет подано U вх
= 0 В. Зарисовать осциллограммы сигналов, формируемых на выходе логического элемента
(гнездо 11), и с помощью осциллографа определить относительно
0
нулевого уровня величины U вых
и U вых
при наличии и при отсутствии выходного импульса ГПИ на входе 1 (гнездо 12) логического элемента микросхемы К176ЛА7.
По результатам эксперимента заполнить таблицу истинности
для исследуемого логического элемента (табл. 1.1). При этом необходимо учитывать, что логическому «0» соответствует низкий
0
уровень напряжения ( U вх
= 0 В ), а логической «1» соответству
ет высокий уровень напряжения ( U вх
= +5 В ). В табл. 1.1 вносят
значения логической переменной на выходе (гнездо 11) логического элемента. При этом за логическую переменную x принимается сигнал, подаваемый на микросхему К176ЛА7 через гнездо
12, а за логическую переменную x 2 – сигнал, подаваемый через
гнездо 13.
Таблица 1.1
x2
x
0
1
12
0
1
По табл. 1.1 определить логическую функцию, выполняемую
исследуемым логическим элементом.
1.4. Исследование нагрузочной способности
логического элемента
Нагрузка может подключаться к выходу логического элемента двумя способами: либо между выходом логического элемента и общей шиной, либо между выходом логического элемента и
шиной питания.
Исследование влияния нагрузки на работу логического элемента проводится с помощью электронного осциллографа.
Перед началом исследований следует восстановить все подключения в соответствии с функциональной схемой, показанной
на рис. 1.4, а затем проверить с помощью осциллографа амплитуду и длительность импульсов, подаваемых с выхода ГПИ на
вход логического элемента (гнездо 12 микросхемы К176ЛА7).
Если эти параметры отклоняются от заданных значений, то необходимо их подкорректировать с помощью соответствующих
регулировок так, как это было описано в предыдущем разделе.
При правильной регулировке ГПИ амплитуда импульса UГПИ =
= +5 В, его длительность tи = 2 мкс, а форма импульса и его уровни соответствуют осциллограмме, приведенной на рис. 1.5.
При этом на выходе ненагруженного логического элемента
(гнездо 11) формируется прямоугольный импульс, показанный
0
на рис. 1.7, для которого U вых
= 0 , а U вых
= 5 В , т. е. уровень ло-
1
U вых
0
U вых
Уровень
«+5 В»
«Нулевой»
уровень
Рис. 1.7. Осциллограмма сигнала на выходе ненагруженного логического элемента
13
гического «0» совпадает с нулевым уровнем, а уровень логической «1» – с уровнем +5 В.
Приступая к исследованию нагрузочной способности логического элемента, следует с помощью двух проводников подключить магазин резисторов Rн между выходом логического элемента (гнездо 11) и общей шиной установки УМ16ПС, как показано
на рис. 1.8.
Т1
+5 В
Т2
11
Т3
Rн
13
Т4
D1
12
Общая
шина
D2
Рис. 1.8. Схема подключения Rн к выходу логического элемента относительно общей шины установки
1
U вых
0
U вых
Уровень
«+5 В»
«Нулевой»
уровень
Рис. 1.9. Осциллограмма выходного сигнала логического элемента при
подключении Rн в соответствии с рис. 1.8
14
При подключении нагрузки между выходом логического эле0
мента и общей шиной величина U вых
практически не изменяет
ся, а величина U вых – уменьшается. Другими словами, уровень,
соответствующий логическому «0», совпадает с нулевым уровнем масштабной сетки, а уровень, соответствующий логической
«1», – снижается (рис. 1.9).
Изменяя величину сопротивления Rн от 100 до 1,0 кОм, измерить с помощью осциллографа величину напряжения на выходе
логического элемента U вых
, которое соответствует логической
«1» при различных сопротивлениях Rн. Результаты измерений
внести в табл. 1.2 и зарисовать осциллограммы выходных сигналов при Rн = 100; 10 и 1,0 кОм.
Таблица 1.2
Rн, кОм
100
47
33
22
10
6,8
4,7
3,3
2,2
1,5
1,0
Uвых
,В
Подключить магазин резисторов Rн между выходом логического элемента (гнездо 11) и шиной питания (+5 В) установки
УМ16ПС, как показано на рис. 1.10. В этом случае заметно из0
меняется величина U вых
и практически не изменяется величина
U вых , а выходной сигнал логического элемента приобретает вид,
показанный на рис. 1.11.
Изменяя величину сопротивления Rн от 100 до 1,0 кОм, измерить с помощью осциллографа величину напряжения на выходе
Т1
+5 В
Rн
Т2
11
Т3
13
Т4
12
D1
Общая
шина
D2
Рис. 1.10.Схема подключения Rн к выходу логического элемента относительно шины питания (+5 В) установки УМ16ПС
15
1
Уровень
«+5 В»
U вых
«Нулевой»
уровень
0
U вых
Рис. 1.11.Осциллограмма выходного сигнала логического элемента при
подключении Rн в соответствии с рис. 1.10
0
логического элемента U вых
, которое соответствует логическому
«0», при различных сопротивлениях Rн. Результаты измерений
внести в табл. 1.3 и зарисовать осциллограммы выходных сигналов при Rн = 100; 10 и 1,0 кОм.
Таблица 1.3
Rн, кОм
0
Uвых
100
47
33
22
10
6,8
4,7
3,3
2,2
1,5
1,0
,В
Содержание отчета
Отчет по работе должен содержать:
– наименование и цель работы;
– принципиальные схемы, приведенные на рис. 1.1, 1.8 и 1.10;
– таблицу истинности и логическую функцию исследуемого
логического элемента;
– таблицы измеренных величин;
0
– графики зависимостей U вых
= f (R н ) и U вых
= f (R н ) ;
– осциллограммы сигналов на выходе логического элемента
с указанием величины уровней измеренных напряжений;
– краткие выводы о проделанной работе.
Контрольные вопросы
1. Что такое базовый логический элемент? Нарисуйте таблицы истинности для элементов: И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, имеющих по два входа.
16
2. Нарисуйте принципиальную схему инвертора, построенного на КМОП-структуре, и объясните его работу.
3. Нарисуйте принципиальную схему двухвходового логического элемента ИЛИ-НЕ, построенного на КМОП-структуре, и
объясните его работу.
4. Нарисуйте принципиальную схему двухвходового логического элемента И-НЕ, построенного на КМОП-структуре, и объясните его работу.
5. Объясните преимущества и недостатки интегральных микросхем, построенных на основе КМОП-структур. Почему именно
КМОП-интегральные схемы наиболее распространены в настоящее время?
6. Почему сопротивление нагрузки Rн, включенной между
выходом КМОП интегрального элемента и общей шиной, влияет
0
на величину U вых
и практически не влияет на величину U вых
?
7. Почему сопротивление нагрузки Rн, включенной между выходом КМОП интегрального элемента и шиной питания (+5 В),
0
влияет на величину U вых
и практически не влияет на величину
U вых ?
17
Лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ И
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ
К176ЛА7
Цель работы: изучение быстродействия и помехоустойчивости базового логического элемента, построенного на основе
КМОП-структуры [2,3].
В работе исследуется базовый логический элемент микросхемы К176ЛА7, построенный на основе комплиментарной пары
МОП-транзисторов. Такая пара представляет собой два последовательно соединенных МОП-транзистора с индуцированными
каналами различных типов проводимости. В корпусе микросхемы К176ЛА7 размещены четыре независимых двухвходовых логических элементов. Так как все четыре элемента одинаковы по
выполняемой функции и электрической схеме, то для изучения
данной микросхемы вполне достаточно исследовать один логический элемент.
Принципиальная схема базового логического элемента показана на рис. 2.1. Входами данного элемента являются выводы 12
и 13 микросхемы К176ЛА7, а выходом – вывод 11. Напряжение
питания подается на вывод 14, а общая шина соединяется с выводом 7.
Условное графическое изображение микросхемы К176ЛА7 в
целом дано на рис. 2.2.
Т1
14
Т2
+5 В
Т3
11
13
Т4
12
D1
D2
7
Рис. 2.1. Принципиальная схема базового логического элемента
18
1
2
3
4
5
6
9
10
8
12
13
11
Рис. 2.2. Графическое изображение интегральных микросхем
Быстродействие логического элемента определяется задержкой выходного сигнала относительно входного, а также длительностью переднего и заднего фронта выходного сигнала. Статическую помехоустойчивость логического элемента можно определить из его передаточной характеристики.
2.1. Описание лабораторного стенда
Лабораторный стенд состоит из установки УМ16ПС, сменной
платы с исследуемой микросхемой и электронного осциллографа. На сменной плате кроме исследуемой микросхемы приведена принципиальная схема одного из логических элементов,
входящих в ее состав, и указаны номера всех выводов. В состав
установки входят также генератор пилообразного напряжения
(ГПН) и генератор прямоугольных импульсов (ГПИ).
В верхней части установки расположены гнезда источников
питания, измерительные приборы и ручка регулировки выходного напряжения источников питания.
В левой части установки расположены: регулировки времени
задержки (грубая и плавная) и амплитуды пилообразного напряжения; регулировки нулевого уровня, амплитуды и длительности импульсов прямоугольной формы.
Каждый генератор (ГПН и ГПИ) имеет четыре выходных гнезда, показанных на рис. 2.3.
При выполнении лабораторной работы одно из сигнальных
гнезд подключается к соответствующему входу микросхемы
К176ЛА7, а другое – к сигнальному выводу (красного цвета) левого входа (Y1) осциллографа. Одно из гнезд общей шины гене19
ратора подключается к общей шине
установки УМ16ПС, а другое – к выводу общей шины (зеленого цвета)
1
2
левого входа (Y1) осциллографа.
3
4
В правой части установки расположен блок нагрузок в виде магазина
Гнезда общей шины
резисторов (R), конденсаторов (C) и
генератора
индуктивностей (L), номиналы которых устанавливаются с помощью
Рис. 2.3. Выходные гнезда
соответствующих переключателей.
ГПН или ГПИ
Подключение источников питания,
генераторов, исследуемой микросхемы, нагрузок и осциллографа осуществляется с помощью соединительных проводов и
соответствующих контактных гнезд. При этом каждый из названных элементов нагрузки подключается к соответствующим
выходным гнездам двумя соединительными проводами.
Для индикации входных и выходных сигналов, а также для
проведения необходимых измерений, используется двухканальный осциллограф типа С1-137 или С1-118.
Сигнальные гнезда
2.2. Подготовка к выполнению лабораторной работы
Перед началом работы следует ознакомиться с устройством
лабораторной установки УМ16ПС, органами управления ГПН и
ГПИ данной установки и используемого двухканального осциллографа.
ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ
+
ГПИ
14
(1;2)
13
(3;4)
12
Е
–
МИКРОСХЕМА 7
К176ЛА7
11
ОСЦИЛЛОГРАФ
Y1
Y2
Рис. 2.4. Функциональная схема лабораторного стенда при исследовании быстродействия ИМС
20
С помощью соединительных проводов собрать лабораторный
стенд в соответствии с функциональной схемой, изображенной
на рис. 2.4.
Установить: ручку регулировки выходного напряжения источника питания Е в крайнее левое положение; переключатель
длительности развертки осциллографа (время/дел.) в положение – 2 мкс/дел, (1 деление соответствует одной клетке измерительной сетки, изображенной на экране осциллографа); переключатели усиления по каналам Y1 и Y2 осциллографа (V/дел.)
в положение – 1 V/дел.
Вход синхронизации осциллографа (синхр.) подключить с
помощью кабеля к гнезду «Синхронизация» лабораторной установки УМ16ПС.
Предъявить собранную схему для проверки преподавателю.
2.3. Исследование быстродействия базового логического
элемента микросхемы к176ла7
Быстродействие интегральных микросхем оценивается по величине задержки выходного сигнала относительно входного, а
также по длительности фронтов выходного сигнала.
Включить установку УМ16ПС и осциллограф.
Установить линию развертки первого канала осциллографа
Y1 на нулевой уровень. За нулевой уровень принята вторая снизу горизонтальная линия измерительной сетки, изображенной
на экране осциллографа. Для этого необходимо сигнальный штекер канала Y1 отключить от выхода ГПИ и подключить к общей
шине установки УМ16ПС. Далее, используя регулировку смещения луча канала Y1 по вертикали, совместить линию развертки
с нулевым уровнем.
Установить напряжение питания микросхемы Е = +5 В, контролируя эту величину по экрану осциллографа. Для этого необходимо сигнальный штекер канала Y1 отключить от общей
шины установки УМ16ПС и подключить к гнезду «+» источника
питания Е. Далее, вращая ручку регулировки напряжения питания Е по часовой стрелке, установить линию развертки осциллографа на 5 (дел.) выше «нулевого» уровня.
Зафиксировав регулировку напряжения питания Е, проделать аналогичную процедуру с каналом осциллографа Y2.
Восстановить все подключения в соответствии с функциональной схемой, показанной на рис. 2.4.
21
Установить амплитуду U ГПИ и длительность tи прямоугольных импульсов, формируемых на выходе ГПИ, следующей величины:
– амплитуда – ( U ГПИ = + 5 В),
– длительность – ( tи = 2 мкс),
контролируя их значения с помощью осциллографа. Для
этого необходимо ручку регулировки нулевого уровня ГПИ установить в крайнее левое положение. Далее с помощью регулировок амплитуды и длительности выходных импульсов ГПИ
установить требуемые значения, т. е. сформировать на выходе
ГПИ прямоугольный импульс в соответствии с осциллограммой,
представленной на рис. 2.5.
Прямоугольный импульс (рис. 2.5) представляет собой сигнал, воздействующий на один из входов (гнездо 12) базового логического элемента микросхемы К176ЛА7. На другой вход (гнездо 13) базового логического элемента микросхемы К176ЛА7 подается постоянное напряжение Е = +5 В.
Так как логическому «0» соответствует низкий уровень напряжения, а логической «1» соответствует высокий уровень на0
пряжения, то на рис. 2.5 U вх
= 0 В , а U вх
= +5 В .
Определить и зарисовать сигнал, формируемый на выходе логического элемента микросхемы К176ЛА7 (гнездо 11). Для этого
необходимо с помощью переключателей каналов осциллографа (Y1 и Y2) отключить канал Y1 и включить канал Y2. Осциллограмма одного из вариантов выходного сигнала приведена на
рис. 2.6.
Уровень
«+5 В»
1
Uвх
UГПИ
tи
«Нулевой»
уровень
0
U вх
Рис. 2.5. Осциллограмма выходного импульса ГПИ: развертка по горизонтали – 2 мкс/дел; развертка по вертикали – 1В/дел.
22
Уровень
«+5В»
1
U вых
0,9
0
Uвых
0,1
10
Нулево й
уровень
01
tф
tф
Рис. 2.6. Осциллограмма выходного сигнала при отсутствии емкостной нагрузки; развертка по горизонтали – 1 мкс/дел.
По изображению выходного сигнала на экране осциллографа
измерить длительности его переднего tф0 и заднего tф0 фронтов.
Длительности фронтов выходного сигнала измеряются между
уровнями 0,1 и 0,9 его амплитуды.
При этом длительность переднего фронта tф0 измеряется при
изменении выходного сигнала от уровня логической единицы
«1» к уровню логического «0», т. е. при уменьшении напряжения на выходе, а длительность заднего фронта tф0 измеряется
при изменении выходного сигнала от уровня логического «0» к
уровню логической «1», т. е. при увеличении напряжения на выходе. Полученные результаты внести в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Cн , нФ
0
0,033 0,047 0,1
0,22 0,47
1,0
1,5
2,0
tз0 , нс
tз0 , нс
tф0 , нс
tф0 , нс
Pдин , мкВт
С помощью переключателей каналов осциллографа получить
на его экране одновременное изображение входного и выходного
23
сигналов логического элемента микросхемы К176ЛА7 так, как
показано на рис. 2.7.
Установив развертку по горизонтали в положение (1,0 или
0,5) мкс/дел, измерить время задержки tз0 и tз0 между входным и выходным сигналами логического элемента микросхемы К176ЛА7 при отсутствии емкостной нагрузки. Измерения
проводятся на уровне 0,5U вх
. Полученные результаты внести в
табл. 2.1.
Приступая к исследованию влияния емкости нагрузки на
быстродействие базового логического элемента, необходимо с по1
U вх
Уровень
«+5 В»
1
Uвых
01
tз
10
tз
Уровень
0,5U
0
Uвых
0
«Нулевой»
уровень
Uвх
Рис. 2.7. Осциллограммы входного и выходного сигналов базового логического элемента микросхемы К176ЛА7 при отсутствии
емкостной нагрузки
Т1
+5 В
Т2
11
Т3
13
Cн
Т4
12
D1
Общая
шина
D2
Рис. 2.8. Схема подключения Сн к выходу логического элемента относительно общей шины установки
24
мощью двух проводников подключить магазин конденсаторов Cн
между выходом логического элемента (гнездо 11) и общей шиной
установки УМ16ПС, как показано на рис. 2.8.
Изменяя величину емкости Сн от 0,033 до 2,0 нФ, измерить
величины: tф0 , tз0 , tф0 , tз0 . Полученные результаты внести в
табл. 2.1. Зарисовать осциллограммы выходных сигналов при
величине емкости нагрузки: Сн = 0, Сн = 0,1нФ, Сн = 1,5 нФ.
ВНИМАНИЕ! При уменьшении амплитуды выходного сигнала на экране осциллографа, прежде чем выполнять измерения, необходимо либо увеличить его амплитуду примерно до
амплитуды входного сигнала с помощью переключателя чувствительности второго канала осциллографа, либо сместить его по
вертикали до симметричного расположения относительно входного сигнала.
При измерении длительностей tф0 , tз0 установить переключатель запуска синхронизации осциллографа из положения (+) в
положение (–). Выполнив измерения, вернуть данный переключатель в положение (+).
Измерить с помощью осциллографа частоту следования входных импульсов fвх . Для этого необходимо отключить второй канал осциллографа и вывести на экран периодическую последовательность входных импульсов так, как показано на рис. 2.9.
UГПИ
tи
Tвх
Рис. 2.9. Осциллограмма периодической последовательности входных
импульсов
25
Измерив по осциллограмме (рис. 2.9) период следования
Tвх входных импульсов, определить их частоту следования
fвх =
.
Tвх
По формуле Pдин ≈ = 2Cнfвх Е 2 , где Е – напряжение питания
микросхемы, рассчитать для каждого значения Cн величину
мощности, потребляемой логическим элементом в динамическом режиме. Полученные результаты внести в табл. 2.1.
2.4. Исследование передаточной характеристики и
помехоустойчивости базового логического элемента
микросхемы к176ла7
Передаточная характеристика – это зависимость напряжения
на выходе логического элемента от напряжения на его входе.
Для исследования передаточной характеристики и помехоустойчивости базового логического элемента необходимо с помощью соединительных проводов собрать лабораторный стенд
в соответствии с функциональной схемой, изображенной на
рис. 2.10.
Вывести на экран осциллографа выходной сигнал генератора
пилообразного напряжения (ГПН) так, как показано на рис. 2.11.
С помощью регулировки амплитуды пилообразного напряжения
установить его амплитуду U ГПН = 5 В .
ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ
+
ГПН
14
(1;2)
13
(3;4)
12
Е
–
МИКРОСХЕМА 7
К176ЛА7
11
ОСЦИЛЛОГРАФ
Y1
Y2
Рис. 2.10.Функциональная схема лабораторного стенда при исследовании помехоустойчивости ИМС
26
Uвых
1
U вых
UГПН
А
Uп0
0
U вых
Uп1
В
0
Uвх
0
Uпор
1
Uпор
1
Uвх
Uвх
Рис. 2.11.Осциллограмма выходно- Рис. 2.12.Передаточная характериго сигнала генератора пистика базового логического
лообразного напряжения
элемента
Подключая поочередно между выходом логического элемента
(вывод 11) и общей шиной активные нагрузки Rн = 100 кОм и Rн =
= 1,0 кОм, а затем емкостные нагрузки Сн = 0,1 нФ и Сн = 1,5 нФ,
зарисовать с экрана осциллографа для каждого варианта нагрузки входной и выходной сигналы. При этом необходимо соблюдать амплитудные и временные соотношения между ними.
0
Измерить значения U пор
и U пор
(рис. 2.12).
Вывести на экран осциллографа одновременное изображение
входного (пилообразного) и выходного сигналов базового логи0
ческого элемента. Чтобы измерить величину U пор
, необходимо
с помощью регулировки вертикального смещения луча второго
канала осциллографа, подключенного к выходу логического элемента, совместить точку А (см. рис. 2.12) с входным пилообразным напряжением так, как показано на рис. 2.13.
Величина напряжения, измеренная от нулевого уровня до
точки пересечения осциллограмм (точка А), представляет собой
0
U пор
. Чтобы измерить величину U пор
, необходимо с помощью
регулировки вертикального смещения луча второго канала осциллографа, подключенного к выходу логического элемента,
совместить точку В (см. рис. 2.12) с входным пилообразным напряжением так, как показано на рис. 2.14.
Величина напряжения, измеренная от нулевого уровня до
точки пересечения осциллограмм (точка В), представляет собой
U пор
.
27
UГПН
0
Рис. 2.13. Определение Uпор
В
1
Uпор
UГПН
0
Uпор
А
Рис. 2.14. Определение Uпор
0
Результаты измерения U пор
и U пор
, полученные при разных
нагрузках, внести в табл. 2.2.
По окончании измерений вычислить и занести в табл. 2.2 величины U п0 и U п , характеризующие статическую помехоустойчивость. Вычисления произвести по формулам:
0
0
U п0 = U пор
− U вх
,
U п = U вх
− U пор
,
0
где U вх
= 0 В , а U вх
=5 В .
Таблица 2.2
Измеряемые
величины
Rн = 100 кОм
Rн = 1,0 кОм
Сн = 0,1 нФ
0
Uпор
Uпор
Uп0
Uп
Содержание отчета
Отчет по работе должен содержать:
– наименование и цель работы;
28
Сн = 1,5 нФ
– принципиальные схемы;
– таблицы измеренных и вычисленных величин;
– графики:
tз0 = f (Cн );tф0 = f (Cн );tз0 = f (Cн );tф0 = f (Cн ); Pдин = f (Cн ).
– осциллограммы сигналов на выходе логического элемента с
обозначением уровней измеренных напряжений;
– краткие выводы по проделанной работе.
Контрольные вопросы
1. Какие факторы ограничивают быстродействие цифровых
интегральных микросхем?
2. Почему быстродействие КМОП-микросхем выше, чем быстродействие микросхем, использующих только МОП-транзисторы с каналом n-типа?
3. Чем определяется мощность, потребляемая логическим
КМОП-элементом в статическом и динамическом режиме?
4. Начертите передаточную характеристику логического элемента. Как ее измерить экспериментально?
5. Как определить помехоустойчивость логического элемента
по его передаточной характеристике?
29
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Отчет по лабораторной работе выполняется на белой бумаге
формата 297×210 мм2. Допускается применять бумагу «в клетку» и использование обеих сторон листа. Образец оформления
титульного листа показан на сайте: http://standarts.guap.ru сектора нормативной документации ГУАП.
Графики строятся на отдельных листах формата отчета. При
использовании нелинованной бумаги следует нанести на графики координатную сетку. Иллюстрации малых размеров размещаются на листе до нескольких штук.
Когда на графике приведено несколько функциональных зависимостей, то кривые следует обозначать либо различным начертанием, либо цифрами, либо буквами с соответствующим
разъяснением, размещенным под графиком.
Размерность на графиках ставится в конце оси координат вне
поля графика в виде дроби, в числителе которой – обозначение
физической величины, а в знаменателе – единица измерения.
I
U
Например,
или . При этом обозначения по оси абсцисс
mA
B
должны располагаться под осью, а по оси ординат – слева от оси.
Обозначения в виде наименований следует располагать параллельно соответствующим осям. Для оцифровки осей применяется натуральный ряд чисел 0, 1, 2, 3, …, помноженный на 0 n ,
или 5 ⋅ 0 n , где n = 0, ±, ±2, ±, ... .
Все графики и рисунки должны иметь нумерацию и поясняющие подписи с указанием типа исследуемого полупроводникового прибора.
Принципиальные схемы вычерчиваются в соответствии с требованиями ЕСКД [4–6].
30
Библиографический список
1. Аваев Н. А., Наумов Ю. Е., Фролкин В. Т. Основы микроэлектроники. М.: Радио и связь, 1991. 288 с.
2. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. М.: Высш.
шк., 2000. 424 c.
3. Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность. 2-е
изд. М.: Высш. шк., 1986. 464 c.
4. ГОСТ 2.730-73. ЕСКД. Обозначения условные графические
в схемах. Приборы полупроводниковые.
5. ОСТ II.336.919-81. Приборы полупроводниковые. Система
обозначений.
6. СТП ЛИАП 102-83. Документы текстовые учебные. Правила выполнения иллюстраций.
Содержание
Предисловие.................................................................... 3
Лабораторная работа № 1.Исследование логической структуры и нагрузочной способности интегральной микросхемы
к176ла7......................................................................... 6
Лабораторная работа № 2. Исследование быстродействия и
помехоустойчивости интегральной микросхемы к176ла7....18
Заключение....................................................................30
Библиографический список...............................................31
31
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
666 Кб
Теги
abramov
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа