Bramki TTL - sprawko

Kolegium Karkonoskie
w Jeleniej Górze Instytut techniki
Laboratorium przyrządów półprzewodnikowych II
Temat ćwiczenia:
Badanie charakterystyk statycznych układów cyfrowych TTL
Skład:
Ocena spr:
Data wykonania:
Szymon Dziąg
5-12 2006
Tobiasz Klimczewski
Grupa:
4
Podgrupa:
2
Nr ćw:
6
1. Wiadomości wstępne
NAND - funkcja boolowska realizująca zaprzeczoną koniunkcję (NOT AND) - jej wartością jest fałsz
wtedy i tylko wtedy, gdy wartością obu argumentów jest prawda.
Układy cyfrowe są klasyfikowane na podstawie
struktury układowej lub rodzaju technologii użytej do
wytworzenia danego funktora. Do szeroko rozpowszechnionych
układów cyfrowych należą układy realizowane w technice TTL
(Transistor-Transistor-Logic). Układy TTL wprowadziła do
produkcji w 1961 r. amerykańska firma TEXAS
Rys. 2 Układ scalony 7400 zawierający cztery
2-wejściowe bramki NAND
INSTRUMENTS.
Układy z rodzin 74xx przeznaczone są do pracy w
zakresie temperatur od 0°C do 70°C przy zasilaniu 5V±5%.
-1-
Rys. 3 Wartości gwarantowane poziomów napięć logicznych na wejściu i wyjściu układów TTL, UT
– próg przełączania bramki
Podstawowe parametry scalonych układów cyfrowych:
1. układy TTL zasilane są ze źródła napięcia o wartości 5V,
2. Dla całej rodziny TTL zdefiniowano wspólne gwarantowane zakresy napięć na wejściu i wyjściu
układu (rys. 3),
3. Parametry standardowe:
a. czas propagacji tPtyp =10 [ns],
b. moc strat na bramkę Ptyp =10 [mW],
c. współczynnik dobroci Dtyp= 100 [pJ],
d. maksymalna częstotliwość pracy (fmax)typ = 25 [MHz],
e. prąd wyjściowy IOHmax =-0,4 [mA],
f. prąd wyjściowy IOLmax =16 [mA],
g. prąd wejściowy IILmax = -1,6 [mA],
h. obciążalność N max = 10,
4. czas propagacji tp - określa szybkość działania układu scalonego cyfrowego, jest on średnią
arytmetyczną z czasu propagacji stanu niskiego (tPHL, który zmienia sygnał wejściowy, co powoduje
zmianę sygnału logicznego z wysokiego na niski, H na L), czasu propagacji stanu wysokiego (tPHL, z L
na H), jednostką czasu propagacji jest 1ns;
5. straty mocy Ps [mW]; moc pobierana przez układ, moc rozpraszana, określają one moc pobraną z
zasilacza;
6. częstotliwość maksymalna wyrażana w [MHz];
7. współczynnik dobroci D = tp . Ps [pJ], umożliwia porównanie układów należących do różnych klas;
8. obciążalność wyjścia N wyjścia układu cyfrowego, jest to dopuszczalna liczba innych elementów, które
mogą być z tego wyjścia prawidłowo sterowane.
-2-
Schemat ideowy podstawowej bramki NAND serii TTL przedstawia rys. 41. Wszystkie tranzystory układu,
z wyjątkiem T3, znajdują się w stanie nasycenia lub odcięcia, zależnie od poziomów logicznych na
wejściach (dla stanu statycznego). Tranzystor T2 działa jako wtórnik emiterowy (stan wysoki na wyjściu)
lub inwerter (stan niski). Dioda D1
zapewnia
odcięcie
tranzystory
tranzystora
T3,
gdy
T2 i T4 są w stanie nasycenia.
Tranzystory
T3 i T4 tworzą układ wyjściowy,
zapewniający
małą
impedancję
wyjściową
na wyjściu.
zarówno przy poziomie L, jak i H
Rezystor
w
ogranicza
R3
przypadku
zbyt
prąd
wyjściowy
dużego
obciążenia
na poziomie H (np. przy zwarciu do
masy)
oraz
w procesie przełączania. Diody
ograniczające D2 i D3 ułatwiają
dłuższych
połączeń
między
Rys. 4 Schemat ideowy bramki NAND
z serii standardowej TTL
realizację
układami,
tłumiąc oscylacje powstające w procesie przełączania bramki i zapobiegając powstawaniu ujemnego
napięcia większego niż ~0,7V.
Charakterystyka wejściowa (rys. 5) I1 = f(U1). Jeżeli napięcie U we, jest większe od 1,6 V, to wartość
prądu we I1 jest mała. Złącze C-B tranzystora T1 jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia przez
rezystor R1 ze źródła napięcia zasilania UCC. Potencjał bazy jest większy o około 0,7V od potencjału
kolektora tego tranzystora. Tranzystor pracuje w inwersji ze współczynnikiem wzmocnienia prądowego
około 0,02 i prąd we nie przekracza 20μA. Przy obniżaniu napięcia poniżej 1,6 V obserwuje się wzrost
prądu - zaczyna przewodzić złącze B-E tranzystora T1 i wartość prądu jest ograniczona przez rezystor R1,
złącze B-E tranzystora T1. Obwodem zastępczym w tej sytuacji może być rezystor R1 połączony szeregowo
z dioda spolaryzowaną w kierunku przewodzenia. Nachylenie charakterystyki wynosi około 4V/mA, czyli
Charakterystyka przejściowa (rys. 6) U0 = f(U1). Wzrost napięcia na wejściu do około 0,7V
powoduje wzrost napięcia na bazie tranzystora T2 (tranzystor T1 jest w stanie nasycenia),
a napięcie wyjściu nie zmienia się. Dla napięcia we z przedziału 0,7 do 1,4V zaczyna przewodzić tranzystor
-3-
T2 powodując wzrost spadku napięcia na rezystorze R2, przez tranzystor T4 - spadek napięcia na wyjściu (na
charakterystyce odcinek A-B).
Po przekroczeniu przez napięcie we wartości l,4 ÷ 1,5 V potencjał bazy tranzystora T2, wynosi około
1,4 V i tranzystory T2 i T4, zaczynają przewodzić. Jednak spadek napięcia na rezystorze R2 nie jest
dostatecznie duży, by zatkać tranzystor T4. Oba tranzystory w stopniu końcowym przewodzą (na
charakterystyce odcinek B-C) i bramka pobiera prąd około 20 mA podczas, gdy w stanie 0 pobiera prąd
około 3 mA. a w stanie l około l mA. Dalszy wzrost napięcia na wejściu spowoduje nasycenie tranzystora
T2
i
T3
oraz
zatkanie
tranzystora
T 4,
a tranzystor T1 zostanie spolaryzowany inwersyjnie.
Napięcie na wyjściu będzie równe UCLnas tranzystora T3.
Rys. 5. Charakterystyka wejściowa Rys. 6. Charakterystyka przejściowa
Charakterystyka wyjściowa dla 0 na wyjściu (rys. 7a) UOL = f(IOL). Jest to charakterystyka
tranzystora T3 będącego w stanie nasycenia. Rezystancja wyjściowa dla prądu 1,6 do 16 mA wynosi około
10.
Dla
dużych
prądów
we
tranzystor
T3
wychodzi
ze
stanu
nasycenia
i rezystancja wyjściowa może wzrosnąć powyżej 1000.
Charakterystyka wyjściowa dla 1 na wyjściu (rys. 7b) UOH = f(IOH), która zależy od parametrów
tranzystora T4 pracującego jako wtórnik emiterowy, diody i rezystora R4. Rezystancja wyjściowa dla
małych prądów wy wynosi około 100.
-4-
Rys. 7. Charakterystyki wyjściowe bramki NAND TTL:
a) charakterystyka w stanie O, b) charakterystyka w stanie l
2. Pomiary
Pomiar charakterystyki wejściowej I1 = f(U1)
U1
I1
0,0
0,1
0,5
0,8
1,0
1,2
1.5
2,0
3,0
4,0
4,9
[V]
-1,000 -0,966 -0,865 -0,718 -0,720 -0,675 -0,039 0,0021 0,0021 0,0022 0,0023 [mA]
I1 [mA]
Charakterystyka wejściowa
0,2
0
-0,2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
-0,4
-0,6
-0,8
-1
-1,2
U1 [V]
-5-
Pomiar charakterystyki przejściowej U2 = f(U1)
U1
0,0
0,3
0,5
0,8
1,0
1,2
U2
3,93
3,92
3,92
3,52
3,36
2,92 0,065 0,064 0,064 0,064 0,064
U2 [V]
1.5
2,0
3,0
4,0
4,8
[V]
[V]
Charakterystyka przejściowa
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
0,3
0,5
0,8
1
1,2
1.5
2
3
4
4,8
U1 [V]
3. Wnioski:





Bramka NAND TTL (UCY 7400) jest podstawowym układem cyfrowym realizującym funkcję
negacji iloczynu NIE-I (NAND). Jako samodzielny układ jest produkowany w wersji scalonej o
małej skali integracji (SSI).
Cechą bramki NAND jest konieczność podania stanu wysokiego „H” na oba wejścia A i B w celu
uzyskania stanu niskiego „L” na wyjściu Y. Aby uzyskać stan wysoki „H” na wyjściu należy
podać stan niski „L” na przynajmniej jedno z wejść A lub B.
O bramce możemy powiedzieć, że jest włączona, gdy na jej wyjściu panuje niski poziom napięcia.
Bramka jest wyłączona, gdy na wyjściu panuje wysoki poziom napięcia. W stanie wyłączenia, na
co najmniej jednym wejściu panuje 0 i drugie wejście nie ma wpływu na stan bramki. W stanie
włączenia na jednym z wejść panuje zawsze stan 1 i o stanie wyjścia decyduje poziom napięcia na
drugim wejściu.
Własności bramki opisują charakterystyki statyczne. Charakterystyka przejściowa (przełączania) w
podpunkcie 1 charakterystyka przedstawia zależność napięcia wyjściowego od wejściowego
UWEJ=f(UWYJ). Na jej podstawie możemy określić graniczne wartości napięć wejściowych i
wyjściowych oraz napięcie progowe.
Obciążanie bramki, tzn. pobór prądu z jej wyjścia lub wprowadzanie prądu do obwodu
wyjściowego, powoduje zmianę napięcia wyjściowego. Charakterystyka wyjściowa przedstawia
zależność napięcia wyjściowego od prądu wyjściowego. Bramka opisywana jest dwoma
-6-
charakterystykami wyjściowymi: w stanie niskim na wyjściu UWYJ=f(IWYJ), i w stanie wysokim na
wyjściu. Jeżeli bramka jest w stanie wysokim na wyjściu to prąd wypływa z jej wyjścia, a jeżeli
jest w stanie niskim na wyjściu to prąd wpływa do jej wyjścia. Na podstawie charakterystyk
wyjściowych możemy określić maksymalne prądy wyjściowe w stanie niskim i wysokim oraz
wartość prądu zwarciowego. Stan zwarcia nie jest dla bramki niszczący pod warunkiem, że jest
zwierane wyjście tylko jednej bramki układu scalonego.
-7-