Влияние подключенной к выходу элемента нагрузки на его характеристики

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Выполнил

студент гр. 23328/1 Волков А.Ю.

Проверил Богданов С.В.

Санкт-Петербург

Цель работы:

Исследовать статические характеристики простого транзисторно-резисторного формирователя логического сигнала.

Ход работы:

Исследование характеристики формирователя со структурой R-nMOП

Схема:

1.Определите на модели зависимость состояния транзистора (протекающего тока Iстока) от управляющего напряженияVзатв. Это надо делать при значении R1®0. По результатам эксперимента примите решение о необходимой величине резистора R1, которая обеспечит удовлетворительный вид характеристики передачи формирователя.

Для сопротивления 6кОм график зависимости Iсток. от управляющего напряжения выглядит так:

Как мы видим из графика зависимости-ток, необходимый для формирования логического нуля близок к 0mA, для формирования же логической единицы достаточно 0,7mA. Это достаточно малые значения. Причем чем больше сопротивление мы возьмем, тем меньше у нас будет Iстока. Сопротивление 6кОм обеспечивает правильное формирование выходного логического сигнала.

2.Транзистор с резистором в цепи стока. Измените величину резистора на выбранную в предыдущем пункте. Снимите на модели характеристики Iстока(Vзатв) и Vвых(Vзатв).

Постройте график характеристики «вход – выход» и оцените его вид. Ответьте на следующие вопросы:

Является ли определенная вами характеристика удовлетворительной для стандартных диапазонов напряжений, изображающих лог.0 и лог.1 (они были указаны ранее). Потребление энергии. Статическая передаточная характеристика, вывод о статической помехоустойчивости (возможных диапазонах лог.0 и лог.1), влияние величины резистора в стоке на крутизну передаточной характеристики. (Чем больше резистор – тем круче.)
Вывод о выполняемой логической функции (инверсия).

Если установить значение резистора R1 на 500Ом и построить ту же зависимость, то мы получим график следующего вида:

Здесь мы наблюдаем более плавный переход, из этого мы можем сделать вывод о влиянии сопротивления на крутизну графика: чем больше сопротивление, тем более резкий скачек напряжения мы имеем. Данная характеристика не является удовлетворительной для стандартных диапазонов напряжений, изображающих лог.0 и лог.1 в отличии от характеристики, полученной при сопротивлении R1 = 6кОм.

Часть схемы, обведенная ниже, отвечает за инвертирование сигнала, благодаря транзистору. То есть происходит преобразование логического 0 в логическую 1.

Влияние подключенной к выходу элемента нагрузки на его характеристики

3.1) Установите (с помощью R1) выходной сигнал формирователя в состояние лог.0. Подумайте, какое значение входного сигнала лучше всего задать.

Подключите к выходу элемента нагрузку (с помощью J1). Подумайте, в какое состояние следует установить J2..

Изменяйте ток, потребляемый нагрузкой (регулируя R3) и снимите зависимость Vвых(Iнагр). Не забудьте заготовить таблицу для измерений, обоснуйте количество измеренных значений.

Постройте график Vвых(Iнагр) , его обычно называют «нагрузочной характеристикой».

Сделайте вывод о допустимой величине тока выхода (подумайте, какое направление имеет этот ток: вытекает из выхода или втекает?).

3.2) Повторите эксперимент при условии, что на выходе формирователя установлен сигнал лог.1.

Сравните результаты, полученные в опытах 3.1) и 3.2) и сделайте вывод.

Оформите и прокомментируйте результаты всех экспериментов

3.1) Так как подключение «нагрузки» к + источника питания дает возможность оценить влияние «нагрузки» на уровень выходного сигнала формирователя, изображающий лог.0. То ключ J2 переместим в верхнее положение.

График зависимости Vвых(Iнагр) при лог.0:

Из показаний амперметра видно, что ток течет в обратном направлении (втекает). Для того чтобы напряжение выхода выдавало нам лог. 0 ток выхода должен быть не меньше -0,4 mA.

3.2)Так как подключение к «Земле» позволяет определить влияние «нагрузки» на уровень выходного сигнала, изображающего лог.1 ключ J2 перемещаем в нижнее положение.

График зависимости Vвых(Iнагр) при лог.1:

Для того чтобы напряжение выхода выдавало нам лог. 1 ток выхода должен быть не больше 110mA.Оба графика убывающие, однако выпуклы в противоположные стороны.

4.Статические характеристики КМОП элемента Модифицируйте цепь в соответствии с рисунком. Замена резистора в цепи стока на транзистор противоположного типа проводимости дает базовую схему, которую называют «комплементарным инвертором»

Снимите на модели характеристики Iстока (Vзатв) и Vвых (Vзатв).

КМОП элемент имеет более резкий переход. Для обозначения лог.0 следует использовать значение напряжения 0 - 0.5B, для обозначения лог.1 4 - 5В. Данный выбор по-моему мнению оптимален, так как он защитит нас от возникновения лишних помех.

Определите величину зоны входного сигнала, для которой при сделанном вами выборе диапазонов 0 и 1 выходной сигнал инвертора находится в зоне неопределенности (запрещенной зоне).

Запрещенная зона входного сигнала 2,25-3,25В.

В отсутствии переключений ток, потребляемый КМОП элементом весьма мал (нано- или даже пикоамперы). Мощность, потребляемая современными логическими устройствами, выполненными с использованием комплементарных МОП (КМОП) элементов практически прямо пропорциональна тактовой частоте.

6. Повторите эксперимент по определению влияния нагрузки, подключенной к выходу инвертора, на уровень сигнала, изображающего двоичную цифру. Сравните результаты для комплементарного инвертора с результатами для R-nМОП инвертора.

График зависимости Vвых(Iнагр) при лог.0:

График зависимости Vвых(Iнагр) при лог.1:

Данные графики имеют такой же вид как и у R-nMOП транзистора.

Заключение по выполненной работе:

В ходе выполнения работы, я исследовал статические характеристики простого транзисторно-резисторного формирователя логического сигнала. Подробно оценил потребляемый элементом ток в двух состояниях (лог.0 на выходе и лог.1 на выходе) а так же нашел запрещенную зону, в которойнельзя найти 1 и 0.