Функциональные параметры, статические характеристики цифровых интегральных схем и методики их определения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА по теме: ФУНКЦИОНАЛЬНые ПАРАМЕТРы, статические характеристики ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ и методики их ОПРЕДЕЛЕНИя

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).

Цель работы: изучение методик исследования статических характеристик цифровых интегральных микросхем и определения функциональных параметров.

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.

интегральная схема логический элемент вычислительный

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(NД) называется нагрузочной способностью; Fi - логическая функция, реализуемая логическим элементом по i -му выходу;

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

,

где Рj - 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:

UИП - напряжение источника питания;

Tmax , Tmin - 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:

Iвх = f(Uвх) - входная характеристика;

Uвых = f(Uвх) - 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 Iвых = 0), а другая для = (при Iвых = 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 предположение, 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 Рп (точка неустойчивого равновесия) называется пороговой точкой.

Порядок определения величины помехозащищенности Uпз и помехоустойчивости Uпу. 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 Uвх является шириной активной области UDD 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 Nд. 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 по выходу без дополнительных измерений.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа и с учетом выбранных направлений протекания тока (рис.5,а) Iвых = Iн = = -NIвх. 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 Uп, полученную из передаточной характеристики, можно определить величину помехозащищенности Uпз для различных N.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 Iн, а Iвх = Iн / N. Видно, что с ростом N ток I0вх = 0, а I1вх уменьшается в каждом из N элементов.

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 (рис.1.3. из лабораторной работы №1) обеспечивает отображение исследуемых характеристик на экране осциллографа и вывод их на графопостроитель.

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выходом источника напряжения служит клемма 1 (клемма 2), полярность напряжения относительно общей шины устанавливается кнопочным переключателем П1 (П2), величина напряжения регулируется: грубо - ручкой Р2 (Р4) и плавно - ручкой Р1 (Р3). Включается источник питания кнопкой Кн1 (Кн2) («Питание»). При возникновении перегрузки (короткого замыкания на выходе) загорается соответствующий красный индикатор и напряжение на выходе источника автоматически отключается. После устранения причины перегрузки нажатием на красную кнопку «Сброс» (блокировка) источник возвращается в обычный режим работы.

Измерительный блок содержит источник переменного напряжения с постоянной составляющей, преобразователь ток-напряжение и масштабный усилитель. Включение блока осуществляется кнопкой Кн3 («Питание»). 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, VXосц = 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.1.3. из лабораторной работы №1). 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.

Порядок проведения измерений

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. Выполнить при необходимости монтажными проводами недостающие коммутации элементов макета для снятия входной характеристики.

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

7. Включить осциллограф в режиме внешней развертки.

8. Проверить, чтобы кнопки Kн1, Kн2, КнЗ ПНСХ были отжаты. Включить тумблер "Сеть".

9. 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 (см. п.17).

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

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

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

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

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

15. Включить измерительный блок (Кн3).

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

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

18. Соединить клемму 3 со входом исследуемого элемента.

19. 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.

20. Зарисовать входную характеристику.

21. Нажать кнопку Кн6. Выполнить п.14 для наблюдения передаточной характеристики.

22. Выполнить, если необходимо, перекоммутацию элементов на макете для исследования передаточной характеристики. Соединить выход исследуемого ЛЭ с клеммой 5. Нажать кнопку Кн5, отжать кнопку Кн6, зарисовать передаточную характеристику (см. п.19).

23. Нажать кнопку Кн6, отжать кнопку Кн5. Отсоединить вход (от клеммы 3) и выход (от клеммы 5) исследуемого элемента. Выполнить п.14 для наблюдения выходной характеристики.

24. Выполнить, если необходимо, перекоммутацию элементов на макете для исследования выходной характеристики. Соединить выход исследуемого элемента с выходной клеммой 3. Для задания напряжения U0вх и U1вх использовать или дополнительный источник питания, или опорный логический элемент, или шины питания макета.

25. Отжать кнопку Кн6, зарисовать поочередно обе ветви выходной характеристики.

Содержание лабораторной работы

В качестве образца используются РТЛ-элементы (резистивно-транзисторная 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.

Таблица 1 - Варианты задания параметров макета по бригадам

Таблица 2 - Форма представления параметров РТЛ - элемента в отчете

Контрольные вопросы

На какие группы делятся параметры логических элементов?

Какие параметры логического элемента называются функциональными?

3. Какие параметры логического элемента называются измеряемыми?

4. Какие статические характеристики используются для определения функциональных параметров логического элемента?

5. Как по передаточной характеристике цифровой схемы определяются рабочие точки логического “0” и “1”, помехозащищенность и помехоустойчивость?

6. Как с помощью входной и выходной характеристик цифровой схемы определится рабочие точки, нагрузочная способность схемы?

7. Какая область передаточной характеристики цифровой схемы называется активной?

8. Составить электрические схемы получения статических характеристик, используя амперметры, вольтметры и источники напряжения.

9. Что такое коэффициент разветвления по выходу, нагрузочная способность?

10. Из каких блоков состоит ПНСХ и каково их назначение?

11. Составить схему подключения исследуемого образца к ПНСХ для наблюдения вольт-амперной характеристики

12. Составить схему подключения исследуемого образца к ПНСХ для наблюдения передаточной характеристики.

13. Как определить масштаб характеристики по оси Х осциллографа при использовании ПНСХ?

14. Как определить масштаб характеристики по оси Y осциллографа по току и напряжению при использовании ПНСХ?

рекомендуемая ЛИТЕРАТУРА

1. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника; Уч. Пособие для вузов. 2-е изд, перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1990.

2. С. Мурога. Системное проектирование сверхбольших интегральных схем: В 2-х кн. Кн. 1/ Пер. с англ. ч. - М.: "Мир", 1985, с.78-84.

Размещено на Allbest.ru