Исследование основного элемента транзисторно-транзисторной логики

Цель работы: ознакомление с логикой работы; изучение принципа действия; освоение методики определения статистических характеристик; сборка простейших схем.

Приборы и оборудование:

1. Лабораторный стенд.

2. Источник питания напряжением 5B.

3. Два вольтметра с пределом измерения 7,5B.

4. Миллиамперметр.

5. Соединительные провода.

Теоретическая часть:

Функциональные узлы радиоэлектронной аппаратуры, изготовленные методом интегральной технологии, были названы интегральными микросхемами (ИС). Приставка «микро» подчеркивает характерную особенность интегральной технологии – высокий уровень миниатюризации, достигаемый в ее изделиях. ИС – миниатюрный электронный блок, содержащий в своем корпусе транзисторы, диоды, резисторы, и другие активные и пассивные элементы, общее число которых может достигать нескольких десятков и даже сотен тысяч.

Цифровые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной, например двоичной, функции. Они применяются для построения цифровых вычислительных машин, а также цифровых узлов измерительных приборов, аппаратуры автоматического управления, связи и так далее.

По функциональному назначению цифровые микросхемы подразделяются на подгруппы логических микросхем, триггеров, элементов арифметических и дискретных устройств и другие.

Цифровые микросхемы выпускаются сериями. В состав каждой серии входят микросхемы, имеющие единое конструктивно – технологическое исполнение, но относящиеся к различным подгруппам и видам. Разработка каждой серии цифровых микросхем начинается с базового логического элемента. Так называют элемент, который лежит в основе всех ИС серии. Как правило, базовые логические элементы выполняют операции И-НЕ либо ИЛИ-НЕ. По принципу построения базовых логических элементов ИС подразделяются на следующие типы: резистивно – транзисторной логики (РТЛ); диодно – транзисторной логики (ДТЛ); транзисторно – транзисторной логики (ТТЛ) и транзисторно – транзисторной логики с диодами Шоттки (ТТЛШ); транзисторной логики с эмиттерными связями (ЭСТЛ); транзисторной логики с непосредственными связями (НСТЛ).

ТТЛ появилась как результат развития интегральных элементов ДТЛ благодаря замене матрицы диодов многоэмиттерным транзистором (МЭТ) (рис. 1). МЭТ имеет несколько эмиттеров, расположенных таким образом, что прямое взаимодействие между ними практически исключается и представляет собой совокупность нескольких транзисторных структур с общим коллектором и базой, непосредственно взаимодействующих друг с другом только за счет движения основных носителей.

В настоящее время промышленностью выпускаются несколько разновидностей серий элементов ТТЛ – типа (стандартные 133, 155; с высоким быстродействием 130, К531; микромощные 134; с диодами Шоттки 530, К531; микромощные с диодами Шоттки К555). Элементы ТТЛ относятся к потенциальным элементам: при построении ЭВМ на их основе они соединяются между собой потенциальными связями, то есть без конденсаторов и трансформаторов, Значения “1” и “0” представляются в виде напряжений. Для указанных серий значение “1” представляется в виде напряжения , а значение “0”- в виде напряжения .

Эти серии обеспечивают выполнение любых арифметических и логических операций, а также хранение, вспомогательные и специальные функции.

Основным логическим элементом ТТЛ является элемент Шеффера, реализующий операцию логического умножения с отрицанием, то есть И-НЕ. Как элемент ЭВМ он представляет собой такую схему, сигнал “1” на выходе которой имеет место всегда, кроме случая , когда сигналы “1” на всех входах совпадают.

Минимальное число входов элементов Шеффера равно двум. Логическое уравнение работы элемента записывается в виде .

+5B

На рис. 2 приведена временная диаграмма работы элемента на два входа (здесь - нижний и верхний уровни напряжений, соответствующие состояниям “0” и “1”).

На рис. 1 показана принципиальная электрическая схема элемента Шеффера микросхемы К155ЛАЗ.

Схема состоит из двух частей: входной, реализующей функцию И и выходной , реализующий функцию Не (сложный инвертор на основе транзисторов VT2- VT4). Элемент ТТЛ работает следующим образом. Когда на все входы многоэмиттерного транзистора VT1 поданы сигналы “1” все эмиттерные переходы входного транзистора VT1 закрыты, в ток от источника через резистор открытый коллекторный переход транзистора VT1 поступает на базу транзистора VT2 и открывает его до насыщения. При этом открывается до насыщения и транзистор VT4, обеспечивая низкий уровень выходного напряжения . Транзистор VT3 в это время закрыт, поскольку напряжение на коллекторе открытого транзистора VT2 мало. Диод VD3 обеспечивает надежное запирание транзистора VT3 при включенном элементе, то есть когда на выходе напряжение .

При наличии хотя бы на одном выходе сигнала “0” открывается соответст-вующий переход база- эмиттер входного транзистора VT1 , и ток от источника сигнала через резистор проходит в цепи эмиттера. При этом ток коллектора VT1 уменьшается, транзисторы VT2 и VT4 закрываются, а транзистор VT3 и диод VD3 открываются . На выходе обеспечивается уровень “1”. Таким образом, рассмотренный элемент ТТЛ выполняет логическую операцию И-НЕ. Для ограничения тока через открытый транзистор VT3 при коротком замыкании выхода элемента включен резистор .

Диоды VD1 и VD2 защищают транзистор VT1 от случайного попадания на эмиттеры напряжения отрицательной полярности. Резисторы и - нагрузка транзистора VT2 ( -коллекторная, - эмиттерная).

Благодаря применению сложного инвертора элемент имеет малое выходное сопротивление как в состоянии «0» , так и в состоянии «1». Это позволяет увеличить ток, отдаваемый в нагрузку, т.е. повысить нагрузочную способность, а также ускорить процессы заряда и разряда емкости нагрузки, что обеспечивает высокие скорости переключения.

ЗАДАНИЕ 1.

Снятие входной характеристики:

Вводная характеристика элемента ТТЛ- типа представляет собой зависимость входного тока от изменения входного напряжения .Для снятия входной характеристики используем схему (рис. 3а). Проводниками соединить вывод 14 микросхемы с плюсом, а вывод 7- с минусом источника питания. Напряжение питания 5В. БЕЗ ПРОВЕРКИ НЕ ВКЛЮЧАТЬ!

На вход 1 подаем напряжение от плюса источника питания через резистор R=1 кОм, равное V. Высокоомным вольтметром постоянного тока измерьте это напряжение. Изменяя напряжение на входе 2 от минимального значения до

максимального и изменяя ток в цепи 2, получим входную характеристику (рис. 3 b). Данные занести в таблицу 1.

Пользуясь экспериментальными данными, постройте входную характеристику:

Таблица 1.

ЗАДАНИЕ 2.

Снятие передаточной характеристики.

Передаточная характеристика элемента ТТЛ-типа представляет собой зависимость выходного напряжения от входного, т.е. . Для снятия передаточной характеристики соберите схему (рис. 4a). На вход “1”- напряжение от полюса источника питания через =1 кОм, равное . На вход “2”- напряжение , изменяя его значение от 0 до . Напряжение снять с выхода “3”. Результаты занести в таблицу 2. На рис. 4b приведена передаточная характеристика. При увеличении входного напряжения от нуля до порогового уровня напряжение на выходе уменьшается от уровня до некоторого допустимого уровня логической “1”, уровень .

Таблица 2.

Дальнейшее увеличение входного напряжения приводит к резкому снижению выходного напряжения. При больших значениях входного напряжения, превышающих пороговый уровень логической “1” и , на выходе устанавливается напряжение, не превышающее максимально допустимого уровня допустимого 0 . Таким образом, при нормальной работе элемента в статическом режиме не допустимы входные напряжения

Постройте передаточную характеристику. Определите по этой характеристики логический перепад: ; уровни напряжения .

Задание 3.

Снятие выходной характеристики.

Выходная характеристика элемента ТТЛ- типа представляет собой зависимость выходного тока от выходного напряжения, то есть

Выходная характеристика снимается при отключенной нагрузке для двух состояний элемента (элемент включен, элемент выключен).

Элемент включен. При этом состоянии транзистор VT4 на выходе элемента – напряжение , на всех входах – напряжение .

Элемент выключен. При этом состоянии транзистор VT4 закрыт, на выходе

элемента – напряжение , и хотя бы на одном входе – напряжение .

Для снятия выходной характеристики подключить внешний, регулируемый по напряжению источник питания на выход элемента в точку (рис. 5а).

Между точками “a” и “3” включить миллиамперметр для измерения тока .

Таблица 3:

За положительное направление выходного тока принимаем такое направление, когда выходной ток входит в элемент. Изменяя напряжение выхода , снять выходную характеристику, данные занести в таблицу 3. Построить выходную характеристику. Ее внешний вид приведен на рис. 5а.

Элемент будет включен, если транзистор VT4 открыт, а транзистор VT3 и диод VD3 закрыт. Выходная характеристика включенного элемента совпадает с выходной характеристикой V транзистора VT4. На характеристике можно выделить ряд участков, характерных для режима работы транзистора VT4. Участок 1 соответствует насыщенному режиму работы транзистора VT4; участок 2 – активному режиму работы транзистора VT4, участок 3- инверсному активному режиму работы транзистора VT4(при уменьшении напряжения, когда принимает отрицательные значения).

Элемент будет выключен, если транзистор VT4 закрыт, а транзистор VT3 и диод VD3 открыты. На рисунке 5 б можно выделить на характеристике ряд участков , характерных для различных режимов работы транзистора VT3. Участок 4 соответствует режиму отсечки транзистора VT3 (напряжение ), участок 5- активному режиму работы транзистора VT3 ( ), участок 6 – режиму насыщения транзистора VT3 ( ).

Задание 4:

Изучение работы мультивибратора на трех логических элементах.

+5B

(14)

Соберите схему мультивибратора на логических элементах DD2.1-DD2.3 (нижняя микросхема на панели; соединения, обозначенные утолщенными линиями, выполнены внутри панели) (рис. 6). В этой схеме логические элементы 2И- НЕ включены инверторами и соединены последовательно. Благодаря положительной обратной связи между выходом элемента DD2.2 и входом DD2.1, создаваемой конденсатором , схема возбуждает и генерирует электрические импульсы. Времязадающую цепочку, определяющую частоту генерации, образуют конденсатор и резистор .

Индикатор работы мультивибратора собрания транзистора VT1 и светодиода HL AЛ307 (вместо светодиода можно поставить микрофонный капсюль).

После проверки схемы лаборантом включите питание. После включения питания какой – то из логических элементов первым примет одно из двух возможных состояний и тем самым не влияет на состояние других элементов. Предположим, что это будет элемент DD2.2. Сигнал “1” через незаряженный конденсатор передается с его выхода на вход элемента DD2.1, в результате чего этот элемент перейдет в состояние “0”. В таком же состоянии оказывается и элемент DD2.3, поскольку на его входах высокий уровень напряжения. Такое положение неустойчиво, так как на выходе элемента DD2.3 в это время “0” , и конденсатор начинает разряжаться через резистор и выходной каскад элемента DD2.3. По мере разрядки , положительное напряжение на входе DD2.1 уменьшается. Как только она станет равным пороговому, этот элемент переключится в единичное состояние, а элемент DD2.2 – в нулевое. Конденсатор начинает заряжаться через элемент DD2.3 (на выходе его теперь логическая “1”), резистор и элемент DD2.2. Вскоре напряжение на входе первого элемента превысит пороговое, и все элементы переключаются в противоположные состояния. Так формируются электрические импульсы на выходе мультивибратора – выводе 8 элемента DD2.3. Когда элемент DD2.3 мультивибратора находится в единичном состоянии, транзистор VT1 открыт и в его коллекторной цепи “горит” светодиод. При переходе элемента в состояние “0” транзистор VT1 закрывается и светодиод гаснет. Если вместо светодиода HL и ограничивающего резистора в коллекторную цепь транзистора включить электродинамический микрофонный капсюль получится генератор прерывистого звукового сигнала. Капсюль звучит лишь в те промежутки времени, когда на выходе элемента DD2.3 появится логическая “1”.

Соедините вход асцилографа с выходом элементов DD2.1 (вывод “3”), DD2.2 (вывод “6”) и DD2.3 (вывод “8”), зарисуйте осциллограммы. Пользуясь калиброванной разверткой осциллографа, определите частоту следования, частоту импульсов мультивибратора V.

Подключите вместо емкости 500 мкФ , ёмкость 1мк. Как изменилась частота мультивибратора?

Включите вместо резистора 500 Ом переменное сопротивление 5кОм. Изменяя величину переменного резистора от 0 до 5кОм, определите изменения частоты следования импульсов мультивибратора, сделайте вывод о влиянии величины время задающей цепочки на частоту мультивибратора.

Задание 5.

Изучение работы мультивибратора на двух элементах 2И-НЕ.

Соберите схему (рис.7) мультивибратора на двух элементах 2И-НЕ.

Подключите к выходу 6 осциллограф, определите частоту мультивибратора. Работает такой мультивибратор принципиально так же, как и трехэлементный. Когда, к примеру, элемент DD2.1 находится в состоянии “1”, а элемент DD2.2– “0”, конденсатор заряжается через резистор выход первого элемента и выход второго. Как только напряжение на входе первого элемента достигает порогового, оба элемента переключаются в противоположные состояния и конденсатор начнет разряжаться через выходную цепь второго элемента, резистор и выходную цепь первого элемента. Когда напряжение на входе первого элемента снизится до порогового, элементы вновь переключатся в противоположное состояние. Такие варианты мультивибратора широко используются в цифровой технике для генерирования импульсов различной частоты и длительности.

Задание 6.

Сборка генератора прерывистого звукового сигнала.

VT1

(14)

+5B

Соберите схему рис. 8. Генератор прерывистого звукового сигнала состоит из двух взаимосвязанных мультивибраторов, выполненных на логических элементах одной микросхемы K155ЛАЗ. Мультивибратор на элементах DD2.3 и DD2.4 генерирует колебание частоты около 1000 Гц, которые усиливаются транзистором VT1 и подаются на капсюль телефона. Звук прерывистый, потому что работой мультивибратора управляет другой – на логических элементах DD2.1 и DD2.2. Он генерирует тактовые импульсы частотой следования около 1 Гц, телефон звучит лишь в те промежутки времени, когда на выходе тактового генератора появляется высокий уровень напряжения, длительность звуковых сигналов можно изменять подбором конденсатора и резистора , а высоту звука подбором конденсатора и резистора .

Контрольные вопросы:

1. Как работает логика элемента ТТЛ- типа? Дать объяснение, используя временную диаграмму его работы и таблицу истинности.

2. Как работает элемент ТТЛ- типа, какие назначения компонентов его схемы?

3. Объясните ход входной характеристики.

4. Объясните ход передаточной характеристики.

5. Объясните ход выходной характеристики.

6. Как работает трехэлементный мультивибратор?

7. Как работает двух элементный мультивибратор?

Литература:

1. Каламбеков Б.А., Мамзелев И.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы, М., 1987г., §2.2.

2. Микросхемы и их применение (справочное пособие), под редакцией Батушева В.А. и др. М., §4.2.

3. Партин А.С., Борисов В.Т. Введение в цифровую технику. М., 1987г.,стр. 4-15.