Poarta logica ttl standard

POARTA LOGICA TTL STANDARD

Scopul lucrarii consta in cunoasterea functionarii portii TTL standard si in insusirea metodelor de masurare a principalilor parametrii statici si dinamici ai acesteia.

Circuitele logice din familia TTL au ca schema de baza poarta SI-NU cu doua intrari reprezentata in fig. 24.1.

Circuitul integrat SI-NU este caracterizat prin folosirea unui tranzistor multiemitor la intrare (tranzistorul T₁) cu diode de limitare a reflexiilor (D_A, D_B) si a unui etaj de tip stalp totemic (tranzistoarele T₃, T₄) capabil sa asigure curent de iesire in ambele sensuri, tranzistorul T₂ avand functia de separator de faza pentru comanda stalpului totemic.

Functionarea electrica a portii TTL standard poate fi rezumata in felul urmator:

-cand la ambele intrari, A si B, se aplica o tensiune mare (nivel logic '1'), jonctiunile baza-emitor ale tranzistorului multiemitor sunt blocate, iar tranzistoarele T₂ si T₄ conduc la saturatie datorita curentului furnizat de sursa de alimentare V_cc prin rezistenta R₁ si prin jonctiunea colector baza a tranzistorului T₁. Tranzistorul T₃ este blocat deoarece baza lui se afla la un potential mai mic decat potentialul emitorului sau, datorita decalajului de tensiune introdus de dioda D. Rezulta ca tensiunea de iesire este tensiunea de saturatie a tranzistorului T₄, deci foarte mica, asigurand nivel logic '0' la iesire, V_oL.

-cand tensiunea la cel putin o intrare este scazuta (nivel logic'0'), jonctiunea emitor-baza se deschide si, datorita saturarii tranzistorului T₁, tranzistorul T₂ se blocheaza datorita scaderii potentialului bazei lui fata de masa. Blocarea lui atrage dupa sine blocarea tranzistorului T₄ si deschiderea tranzistorului T₃ in regiunea activa normala sau in saturatie, in functie de sarcina conectata. Ca urmare, tensiunea de iesire va avea o valoare mare, adica nivel logic "1", V_oH.

Parametrii statici ai portii logice TTL standard pot fi pusi in evidenta prin masurarea caracteristicilor statice.

Caracteristica de transfer, v_o(v_i) este reprezentata in fig. 24.2.a, iar schema folosita pentru masurare in fig. 24.2.b.

Marimile caracteristice, precizate in fig. 24.2.a, se deduc cu relatiile:

V_oH = V_cc - V_D - V_BE3 - R₂I_B3 = 3,8 V (24.1)

V_oL = V_Cesat4 + r_csat4I_C4 = V_Cesat4 = 0,1 V (24.2)

V₁ = -V_Cesat1 + V_BEo2 = 0,6 V (24.3)

V₂ = -V_Cesat1 + V_BE2 + V_BEo4 = 1,3 V (24.4)

V₃ = V₂ + V_BE2 + V_BE4 = 1,5 V  (24.5)

Marginile de zgomot statice vor fi, conform graficului din fig. 24.2.a:

MZL = V₂ - V_oL = 1,2 V  (24.6)

MZH = V_oH - V₃ = 2,3 V  (24.7)

Caracteristica de transfer si parametrii dedusi din aceasta sunt dependenti de sarcina, de temperatura si de tensiunea de alimentare.

Carcateristica de intrare, i_i(v_i) este reprezentata in fig. 24.3.a si schema folosita pentru masurare in fig. 24.3.b.

Curentul de intrare, pentru v_i = 0, va fi:

(24.8)

Curentul de intrare in starea logica '1' la intrare pentru v_i = v_iH va avea mai multe componente:

-curentul tranzistorului T₁ ce functioneaza in regiunea activa inversa:

(24.9)

-curentul tranzistoarelor laterale formate din emitorul ce constituie intrarea in discutie (in caliate de colector) si emitoarele tranzistorului multiemitor ce se pot gasi la tensiuni scazute corespunzatoare nivelului logic '0' (ca emitoare), baza fiind baza tranzistorului multiemitor, T₁.

(24.9')

-curentul rezidual al diodelor de limitare a reflexiilor (D_A, si D_B), daca exista, de obicei, neglijabil;

Caracteristicile de iesire, pentru cele doua stari ale circuitului sunt reprezentate in fig. 24.4.a (pentru starea logica '1' la iesire) si b (pentru starea logica '0' la iesire), iar in fig. 24.4.c este desenata schema utilizata pentru masurare.

In cazul in care la cel putin una din intrari se aplica nivel logic "0", se obtine caracteristica din fig. 24.4.a, tranzistorul T₄ fiin blocat. Schimabarea pantei caracteristicii de iesire (adica intrarea tranzistorului T₃ in saturatie) se produce pentru curentul:

(24.10)

Curentul de scurt circuit este dat de reltia:

(24.11)

Blocarea tranzistorului T₃ se produce pentru tensiunea:

V_o2 = V_CC­ - V_BEo3 - V_Do (24.12)

In cazul in care la toate intrarile portii se aplica nivel logic '1', se obtine caracteristica din fig. 24.4.b. curentul maxim ce se poate obtine, prin scoaterea din saturatie a tranzistorului T₄ este:

(24.13)

Curentul maxim ce poate fi absorbit la iesire este dat de tensiunea de iesire ce nu trebuie sa depaseasca V_oLmax = 0,4 V.

Curentii absorbiti de la sursa de alimentare in cele doua stari sunt:

(24.14)

In cazul in care ambele tranzistoare din etajul de iesire, T₃ si T₄, sunt in conductie la saturatie apare un varf de curent pe alimentare a carui valoare se calculeaza cu relatia:

(24.16)

Din punct de vedere dinamic, trecerea de la o stare cu nivel logic '0' la iesire la starea cu nivel logic '1' este favorizata de faptul ca, pana la blocarea lui, tranzistorul T₂ mentie un potential de circa 1,4 V pe baza lui, ceea ce asigura functionarea tranzistorului T₁ in regiunea activa normala . Ca urmare, curentul de colector al acestui tranzistor constituie curentul de baza invers pentru tranzistorul T₂, care va avea un timp de comutare inversa foarte mic. Timpul de stocare al tranzistorului T₄ are o valoare mare, fiind determinat, printre altele, de rezistenta R₄ conectata intre baza lui si masa.

La comutarea inversa, tranzistorul T₃ se blocheaza repede ca urmare a comenzii puternice din colectorul tranzistorului T₂.

Parametrii dinamici ai portii TTL standard sunt definiti ca in fig. 24.5, in care este reprezentat raspunsul unui circuit de tipul celui din fig. 24.1 la un impuls de intrare obtinut de la un circuit identic, impuls reprezentat si el in fig. 24.5.

-timpul de propagare (t_d⁺, t_d^-), respectiv timpul de propagare mediu : t_d = 0,5(t_d⁺ + t_d^-);

-duratele fronturilor impulsurilor de la iesire (t_f⁺, t_f^-);

-produsul putere disipata-timp de propagare.

DESFASURAREA LUCRARII

Se fac masuratori asupra unei portii TTL standard de tipul CDB 400, a carei schema este reprezentata in fig. 24.1. Valorile tipice ale rezistentelor sunt: R₁ = 4 k ; R₂ = 1,6 k ; R₃ = 130 ; R₄ = 1 k . Conexiunile la pini sunt date in anexa. Masuratorile se fac cu poarta in gol (N = 0) si cu poarta incarcata cu o sarcina echivalenta cu N = 10 porti TTL de acelasi tip, realizata cu cu circuitul din fig. 24.6. Din punct de vedere dinamic, in paralel cu capacitatea de sarcina, C_S, apare si capacitatea de intrare a osciloscopului, fiind recomandata utilizarea unei sonde divizoare de impulsuri la intrare. Tensiunea de alimentare este V_cc = 5 V.

Se detrmina caracteristica de transfer a circuitului, v_o = v_o(v_i) cu 0 v_i 5 V pentru N = 0 si pentru N = 10; cealalta intrare a portii TTL este cuplata la'1' (+5 V). Se pun in evidenta nivelele logice masurate, V_oL si V_oH.

Nivelele logice V_oL si V_oH se masoara cu un voltmetru numeric pentru 8 porti (de pe doua circuit integrate CDB 400) cu N = 0 si N = 10, punand in evidenta dispersia valorilor masurate.

Schema de masurare este prezentata in fig. 24.2.b, iar valorile masurate pentru caracteristica de transfer se vor compara cu valorile obtinute din relatiile (24.1) ÷ (24.5). Pentru marimile caracteristice tranzistoarelor, ce intervin in relatiile amintite, se vor lua valori tipice pentru un tranzistor de comutatie din anexa.

Se vor determina marginile de zgomot statice ale circuitului.

Se traseaza caracteristica de intrare i_i(v_i) conform schemei de masura din fig. 24.3.b, pentru N = 0 si N = 10. Cealalta intrare a portii va fi cuplata la V_cc.

Se masoara curentul de intrare in starea logica '0' (cu cealalta intrare la'1'), I_iL, cu schema din fig. 24.3.b, cu v­_i = 0, fara voltmetru conectat la intrare, pentru 8 porti, punand in evidenta dispersia parametrului masuart.

Se masoara, pentru o poarta, curentul de intrare in starea logica '1', I_iH, conectand cealalta intrare  succesiv in aer (rezulta I_iH' si se deduce _i al tranzistorului T₁), in paralel cu intrarea masurata (rezulta I_iH' = 2 I_iH') si la masa (rezulta I_iH'' si se deduce al tranzistorului lateralformat de cele doua emitoare ale tranzistorului multiemitor T₁ si de baza acestuia). Se vor folosi relatiile aproximative:

Se vor efectua masuratori pe porti de fabricatie diferita pentru a pune in evidenta dispersia foarte mare a factorilor de curent _i si

Se traseaza caracteristicile de iesire in starea '0' si in starea '1', stari precizate prin realizarea combinatiilor corespunzatoare la intrarile portii. Se va folosi circuitul din fig. 24.4.c.

In starea logica '0' se va lua 0 v_o 2,5 V, iar in starea logica
'1' se va lua 0 v_o 5 V.

Se va deduce factorul de curent al tranzistorului T₄( ) din caracteristica de iesire trasata pentru starea logica '0', din relatia (24.13), precum si I_oLmax, curentul maxim ce poate fi absorbit la iesire daca v_o < V_oLmax = 0,4 V.

In starea logica '1', se masoara curentul de scurt circuit, I_osc, pentru mai multe porti, evidentiind dispersia de fabricatie a parametrului.

Se masoara curentii de alimentare, I_ccH si I_ccL; pentru aceasta, se masoara curentii absorbiti de la sursa de alimentare pentru cele patru porti de pe un circuit integrat CDB 400 aduse in aceeasi stare logica la iesire. Rezultatele se compara cu valorile obtinute cu relatiile (24.14) si (24.15).

Se traseaza caracteristica de alimentare I_cc(v_i) pentru o poarta integrata TTL de tipul CDB 430 (poarta SI-NU cu 8 intrari); tensiunea variabila se aplica pe toate cele 8 intrari ale portii, legate impreuna, si se regleaza intre 0 si 5 V; si invers.

Se masoara influenta tensiunii de alimentare asupra parametrilor statici ai portii TTL. Se vor masura V_oL siV_oH, precum si curentii I_iL si I_osc pentru V_cc = 4,75 V si V_cc = 5,25 V, pentru o singura poarta dintr-un circuit integrat CDB 400.

Se masoara timpii de propagare (timpul mediu de propagare al portii) prin doua metode si se compara rezultatele:

a)      se conecteaza 7 porti in bucla inchisa formand un oscilator ca in fig. 24.7.a. Va rezulta , rezultatul corespunzand unei porti TTL incarcata cu o poarta TTL;

b)      se conecteaza 7 porti in cascada ca in fig. 24.7.b si se vizualizeaza pe un osciloscop cu doua canale formele de unda in punctele A si B ale schemei, masurand intarzierile pe cele doua fronturi, la circa 1,5 V ( = V_P); rezulta:

Se conecteaza la doua din porti si sarcini simulate ca in fig. 24.6 si se repeta masuratorile; din noile valori ale timpului de propagare mediu se deduce, calitativ si cantitativ contributia sarcinii asupra timpului de propagare al portii. Se va lua C_S = 68 pF.

Se masoara fronturile t_f ⁺   si t_f^- la iesirea unei porti TTL standard comandate ca in fig. 24.7.c, incarcate numai cu osciloscopul si apoi cu N = 10 (C_S = 68 pF). La intrare se aplica impulsuri de la un generator de impulsuri cu caracteristici adecvate: frecventa de cativa MHz si factorul de umplere circa 0,5.

La iesirea portii TTL testate, neincarcate, se conecteaza o capacitate C = 10 nF si se masoara t_f ⁺   si t_f^-, punandu-se in evidenta diferenta fata de valorile masurate cu circuitul neincarcat si diferenta intre cele doua fronturi.

Se masoara cu osciloscopul (numai componenta alternativa) tensiunea de alimentare, la pinul circuitului integrat in urmatoarele cazuri:

cu schema stationara (fara mpulsuri aplicate);

cu impulsuri aplicate simultan pe toate intrarile portilor circuitului integrat testat;

cu o sarcina capacitiva mare (C = 10 nF) pe iesirea unei porti comandate in impulsuri.

Se va introduce un grup capacitiv de deplasare (C_o' = 10 F si C_o' = 50 nF neinductiv) intre pinii de alimentare ai circuitului integrat si se vor vizualiza aceleasi forme de unda.

Se aplica impulsuri pe o intrare a unei porti TTL si se vizualizeaza formele de unda de pe cealalta intrare lasata in gol.

Se experimenteaza circuitul din fig. 24.8 ce reprezinta o poarta TTL cu stalp totemic realizata cu elemente de circuit discrete. Tranzistoarele folosite (T₁, T₄ - BC 108, T₂, T₃ - 2 N 2222) sunt astfel alese incat, prin masuratori de regim dinamic, sa se puna in evidenta usor influenta elementelor schemei asupra performantelor circuitului. Valorile elementelor sunt: R₁ = 3,9 k ; R₂ = 1,6 k ; R₃ = 130 ; R₄ = 1 k ; R₄' = 1 k ; R₀ = 1 nF.

Curentul absorbit de la sursa de alimentare se masoara la bornele rezistentei R₀. La intrare, comanda se poate face printr-o rezistenta R_g = 5,1 k cuplata direct in baza tranzistorului T₂ sau prin intermediul unui tranzistor T₁ ce simuleaza tranzistorul multiemitor al circuitului integrat. Tensiunea de alimentare este V_cc = 5 V.

Se aplica impulsuri pozitive cu amplitudinea 5 V, de frecventa circa 500 kHz si cu factor de umplere 0,5. Se vizualizeaza formele de unda la iesire si pe baza, emitorul si colectorul tranzistorului T₂. Se justifica, pe baza functionarii circuitului, diferite etape ale procesului de comutare. Se vizualizeaza (pe AC) si forma de unda la bornele rezistentei R₀, masurand valoarea curentului de alimentare pe durata timpului de stocare al tranzistorului T₄. Se vor explica diferentele mari dintre t_f⁺ si t_f^- precum si forma de unda din colectorul tranzistorului T₂.

Se inlocuieste rezistenta R_g cu circuitul format de tranzistorul T₁; se masoara, din nou, formele de unda, urmarindu-se, in special, modificarea timpului de stocare al tranzistorului T₂.

Pentru ambele variante ale circuitului de intrare, se constata influenta rezistentei R₄ asupra timpului de stocare al tranzistorului T₄ (deci si asupra duratei impulsului de curent de alimentare) conectand rezistenta R₄' in paralel cu R₄.

Se scurtcircuiteaza rezistenta R₃ si se constata influenta ei asupra timpilor de comutare si asupra amplitudinii impulsului de curent de alimentare.

Se introduce capacitatea C₀ de filtraj dupa rezistenta R₀ si, cu osciloscopul, se constata influenta ei asupira formei de unda a tensiunii de alimentare nemijlocita a circuitului logic (fara caderea de tensiune de pe rezistenta de masurare, R₀).