Familii de Circuite Integrate Digitale

7/23/2019 Familii de Circuite Integrate Digitale

1/10

Laborator 04 2007/2008

1

FAMILII DE CIRCUITE INTEGRATE DIGITALE

1. FAMILIA TTL

Familia TTL (Transistor Transistor Logic) a fost introdusde firma Texas Instruments(SUA) n anul1965i a fost realizatn tehnologie bipolar. Este cea mai rspnditfamilie de circuite integrate digitale i ainfluenat constant dezvoltarea echipamentelor numerice. n prezent aria de utilizare a circuitelor TTL estelimitat (datorit dezvoltrii aplicaiilor cu microcontroler i a circuitelor de tip ASIC) dar conceptele iblocurile funcionaledin aceastfamilie sunt utilizate n majoritatea proiectelor moderne.

Toate subfamiliile (seriile) TTL sunt compatibile ntre ele pin la pin ct i se pot interconecta direct, curespectarea ncrcrii ieirilor i a timpilor de propagare, conform valorilor specificate n tabelul 4.2.

Circuitele logice din familia TTL sunt fabricate cu tranzistoare bipolare npn, funcioneaz n logicade nivel pozitivi sunt alimentate cu o tensiune pozitivfade masa de 5V.

1.1. CIRCUITUL 74LS00 4 PORI I-NU cu 2 intrri

Circuitul integrat, din seria TTL-LS, 74LS00 conine 4 pori I-NU (NAND) cu cte 2intrri. Configuraia pinilor capsulei i modul de amplasare al porilor este redatn figura 4.1.

Figura 4.1 Configuraia pinilor circuitului 74LS00.

n cazul oricrui circuit integrat, ntotdeauna pinul 1 se afl n partea stng amarcajului (a cheii), numerotarea realizndu-se n mod circular antiorar, astfel nct ultimul

pin s fie n dreapta cheii. Privirea se face de sus, spre partea marcat (nscris, cu pinii njos).

Alimentarea circuitului, de altfel a majoritii circuitelor digitale, pinul 7 (8 sauultimul din stnga jos fade cheie) reprezintmasa (GND, -) iar pinul 14 (16 sau ultimul dindreapta sus fade cheie) reprezintVcc (+).

La proiectarea schemelor cu circuite logice (pori logice) se face referire la numrul deordine (poziia) fiecrei pori, prin numele de referinA,B,C sau D (sau pn la litera carereprezintultima poartdin capsul). Notaia U (IC sau CI) exprimreferina capsulei(a circuitului n totalitate). De exemplu, dacU1este denumirea circuit integrat din figura 4.1,atunci U1Areprezintprima poart, respectiv U1B, U1Ci U1Dcelelalte pori.

U1A U1B

U1CU1D

GND

Vcc

1 2 3 4 5 76

891012 111314


2/10


2

1.2. CARACTERISTICILE CIRCUITELOR INTEGRATE TTL

A). Tensiunea de alimentare(Vcc)

Este de +5V (5%, adic4,75V 5,25V) pentru seriile standard (74xxx) i de +5V

(10%, adic4,5V 5,5V) pentru seria militar(54xxx).Nu este permisalimentarea inversa circuitului integrat, acest lucru, chiar i pedurate relativ reduse de timp, conduce la distrugerea acestuia.

B). Niveluri logice garantate

Principalele tensiuni care descriu nivelurile de intrare i de ieire ale unui circuit TTL: ViL - tensiunea de intrare n starea Low (nivelul de tensiune recunoscut de circuit ca fiind

corespunztor valorii 0 logic); ViH - tensiunea de intrare n starea High (nivelul de tensiune recunoscut de circuit ca fiind

corespunztor valorii 1 logic); VOL- tensiunea de ieire n starea Low (nivelul de tensiune furnizat de circuit n stare 0 logic); VOH- tensiunea de ieire n starea High (nivelul de tensiune furnizat de circuit n stare 1logic);

VTh - tensiunea de prag (threshold), reprezint tensiunea de intrare la care se produce comutareaieirii dintr-o stare logicn alta.

Valorile limitpentru parametrii enumerai anterior sunt redate n Tabelul 4.1.

Tabelul 4.1Niveluri logice garantate pentru seria TTL-LS.

Valori limitTensiune

minim [V] maxim [V]

ViL 0 0,8ViH 2 VccVOL 0 0,5

VOH 2,4 Vcc

C). Unitatea de sarcinTTL

O unitate de sarcinTTL reprezintconsumul, n curent, al unei intrri TTL conectatela ieirea unui circuit din aceeai serie (sau dintr-o serie compatibilTTL). Valorile indicaten tabelul 4.2 se referatt la unitatea de sarcinTTL (IILiIIH) ct i la capabilitatea n curenta ieirilor (IOLiIOH).

Tabelul 4.2Curenii de intrare i ieire ai circuitelor din seriile TTL.


3/10


3

D). Marginea de zgomot de curent continuu

Marginea de zgomot de curent continuu reprezint nivelul maxim al unui semnalperturbator aplicat la intrarea unei pori TTL (aflatn starea Low respectiv High) care nu iafecteazfuncionarea (ieirea nu comutn altstare).

Pentru valorile limit specificate n tabelul 4.1, se poate deduce c marginea dezgomot de curent continuu este de 400mV. Aceastvaloare este garantatde productori dar,n practic, se constatcea poate satingvaloarea de 1V (pentru familia TTL standard).

E). Marginea de zgomot de curent alternativ

Marginea de zgomot de curent alternativ depinde de energia (durata i amplitudinea)impulsului perturbator. Cu ct semnalul perturbator are durata mai mic, cu att amplitudineasa trebuie sfie mai mare pentru a putea determina comutarea ieirii porii. Imunitatea poriiI-NU la tranziii ieirii din 0 n 1 este n general mai bundect pentru o tranziie din1 n 0 datorittimpului de propagare mai mare tpLHfade tpHL.

F). Factorul de branament (FAN-out)

Factorul de branament reprezintnumrul maxim de intrri care pot fi conectatesimultanla ieirea unei pori din aceeai serie. Se determinpe baza ncrcrii statice a ieiriiraportnd curenii de ieire la curenii de intrare. NH=20 (pt.0,8mA); NL=10 (pt.16mA). Seobine, pentru seria standard N = 10.

G). Timpul de propagare

Timpul de propagare reflecto relaie temporalntre semnalul se intrare i de ieire.El reprezintun interval de timpntre puncte de referinspecificate pe formele de undalesemnalelor de intrare i ieire. Mai poate fi definit ca fiind ntrzierea introdusde circuit

n propagarea semnalelor de la intrare la ieire.Se definete un timp de propagare la tranziia din 0 n 1 a ieirii (tpLH), un timp depropagare la tranziia din 1 n 0 a ieirii (tpHL) i un timp mediu de propagare:

2pHLpLH

p

ttt

+=

Se determinpentru o poartI-NU avnd semnalul de intrare uiaplicat unei singureintrri, celelalte fiind conectate la nivelul U iH, n condiii normale de temperatur (25C) itensiune de alimentare (5V).

Pentru seria standard se obin urmtoarele valori tipice:

nstnst

nstp

pHL

pLH10

8

12=

=

=

U

u

u

iH

i

0

Uu

0,5U

U

U

0,5U

U

u

t t

i

0

iH

iH

iL

0H

0H

0L

pHL pLH


4/10


4

Principalii parametri electrici ai circuitelor din seriile TTL sunt prezentai succint ntabelul 4.3.

Tabelul 4.3Parametrii electrici ai circuitelor din seriile TTL.

1.3. DESFURAREA LUCRRII

Placa experimental(figura 4.3) permite msurarea parametrilor electrici ai circuituluiintegrat 74xx00.

Figura 4.3 Vedere de ansamblu asupra plcii experimentale.

Amplasarea componentelor i numerotarea pinilor de test (de msurare) este redatnfigura 4.4.

Figura 4.4 Vedere spre faa plantati numerotarea pinilor de test.


5/10


5

Alimentarea circuitului se realizeazprin intermediul pinilor notai +5V, GND i +2Vi GND, cu ajutorul unei surse duble externe.

1.3.1. Determinarea potenialului intrrilor nefolosite i a ieirilor corespunztoare

Pentru Vcc = 5V se msoarpotenialul intrrii nefolosite a porii U1B, conectnd unvoltmetru ntre pinii de test 7 i 8. n continuare se msoarnivelul ieirii aceleiai pori ntre

pinii de test 9 i 10, pentru comutatorul K2 pe poziia (a) respectiv (b). Se vor compara icomenta rezultatele.

Figura 4.5 ilustreazzona de interes a plcii de test pentru msurrile cerute.

Figura 4.5 Pinii utilizai la msurarea potenialelor intrrilor i ieirii aferente

1.3.2. Verificarea nivelului de tensiune 0 logic la intrare

Se verificdacViLmax0,8 V pe o intrare, la testarea n cazul cel mai defavorabil.Schema electronic de test este redat n figura 4.6a i necesit folosirea a dou

voltmetre numerice, un semireglabil i o poartlogicI-NU.

a). b).Figura 4.6 Verificarea nivelului ViLmax.

Se va utiliza poarta U1A, semireglabilul P1, comutatorul K1 i pinii de test 1, 2, 3 i 4.Tensiunea de alimentare se fixeazla Vccmin= 4,75V iar intrarea necomandatse conecteazla 1 logic prin plasarea comutatorului K1 pe poziia (a). Voltmetrul Vi se conecteaz ntre

pinii de test 1 i 2 iar voltmetrul Vo ntre pinii de test 3 i 4. Prin ajustarea semireglabiluluiP1, se regleazdescresctor tensiunea aplicat la intrare de la Vcc la ViLmax, valoare la caretensiunea la ieirea porii devine VoH. Schimbarea nivelului logic la ieire se poate urmri i

prin iluminarea ledului Out (verde) de pe placa de test.Zona de interes a plcii de test pentru msurrile cerute este ilustratn figura 4.6b.Se vor msura seturi de valori pentru ViLmaxpentru diferite serii din familia TTL.

+

-

Vo

+

-

Vi

+V

5V

P1

+V

5V

U1A


6/10


6

1.3.3. Verificarea nivelului de tensiune 1 logic la intrare

Se verificdacViHmin2 V pe o intrare pentru cazul cel mai defavorabil. Se fixeazVccmax= 5,25V. Se utilizeazdouvoltmetre numerice, un semireglabil i o poartI-NU, aacum se poate observa din figura 4.7a.

a). b).Figura 4.7 Verificarea nivelului ViHmin.

Se va utiliza poarta U1A, semireglabilul P1, comutatorul K1 i pinii de test 1, 2, 3 i 4.Cele douintrri ale pori U1A se conecteazmpreun, prin comutarea lui K1 pe poziia (b).Prin ajustarea semireglabilului P1 se aplic la intrare o tensiune ntre 0 i ViH pn cndtensiunea de la ieirea porii testate devine VoL, notndu-se astfel valoarea ViHmin. VoltmetrulVi se conecteazntre pinii de test 1 i 2 iar voltmetrul Vo ntre pinii de test 3 i 4.

Schimbarea nivelului logic la ieire se poate urmri i prin stingerea ledului Out(verde) de pe placa de test.

Se vor nota seturi de valori msurate pentru ViHminaferente diferitelor serii TTL.Zona de interes a plcii de test pentru msurrile cerute este ilustratn figura 4.7b.

1.3.4. Verificarea curentului de intrare IiL

Se verificdacIiL| -1,6 mA | pe o intrare, n cazul cel mai defavorabil. Se verificpentru seria standard i apoi pentru celelalte serii. Se alege Vcc = Vccmax = 5,25V i sefolosete un voltmetru (Vi) i un miliampermetru (Ii) conectate aa ca n figura 4.9.

a). b).Figura 4.8 Verificarea curentului IiL.

Se experimenteazutiliznd poarta U1B, pinii de test 5, 6, 7 i 8, comutatorul K2 isemireglabilul P2. Intrarea neutilizatse aduce la 1 logic prin comutarea lui K2 n pozi ia (a).

+

-

Vo

+

-

Vi

+V

5V

P1

U1A

+V

Vcc

+-

I i U1A

+

-

Vi

P1

U1B


7/10


7

Prin ajustarea poziiei semireglabilului P2 se fixeaz tensiunea la intrare ViL = 0,4V prinurmrirea indicaiei voltmetrului Vi conectat ntre pinii de test 7 i 8 i se citete valoareacurentului IiLindicatde ctre miliampermetrul conectat ntre pinii de test 5 i 6. Pe parcursulexperimentrii, ieirea se menine n gol.

Se vor repeta msurrile pentru diferite serii de circuite din familia TTL studiat.Zona de interes a plcii de test pentru msurrile cerute este ilustratn figura 4.8b.

1.3.5. Verificarea curentului de intrare n starea 1 logic

Se verificdacIiH40 A pentru seria standard i apoi pentru alte serii TTL, n celemai defavorabile condiii de testare.

a). b).Figura 4.9 Verificarea curentului IiH.

Schema electronica montajului experimental cuprinde un miliampermetru conectatntre tensiunea ViHmin = 2V i o intrare a unei pori I-NU (figura 4.9a). Circuitul sealimenteazla Vcc = Vccmax= 5,25V. Ieirea se menine n gol.

Pentru experimentare se va utiliza poarta U1B, iar K2 se va aduce n poziia (b) pentrua conecta la mas intrarea nefolosit. Miliampermetrul se conecteaz ntre borna de

alimentare +2V i pinul de test 6 i se citete valoarea indicat.Zona de interes a plcii de test pentru msurrile cerute este ilustratn figura 4.9b.

1.3.6. Verificarea nivelului de tensiune 0 logic la ieire

Se verific dac n cazul cel mai defavorabil se menine VoLmax0,4V. Schema detestare experimental, prezentat n figura 4.10a, cuprinde o surs de alimentare de +2V

pentru generarea nivelului ViHmin la intrare, un voltmetru i un miliampermetru nseriat cuieirea unei pori I-NU conectate printr-un semireglabil la Vcc.

a). b).Figura 4.10 Determinarea nivelului VoLla ieire.

+ -

I i

+Vi h

U1B

+V

Vcc mi n

+

-

Vo

P1

+ -

I o

+

Vi h mi n

U1C


8/10


8

Circuitul se alimenteaz la Vccmin= 4,75V. Pentru experimentare se va utiliza poartaU1C, voltmetrul se conecteazla ieirea porii, ntre pinii de test 11 i 14 iar miliampermetrulntre 12 i 13. Prin ajustarea semireglabilului P3 se stabilete curentul de ieire la IoLmaxcorespunztor seriei din care face parte circuitul, echivalent cu o ncrcare FAN-OUT = 10.Se citete valoarea indicatde voltmetru.

Zona de interes a plcii de test pentru msurrile cerute este ilustratn figura 4.10b.

1.3.7. Verificarea nivelului de tensiune 1 logic la ieire

Se verificdacn cazul cel mai defavorabil se menine valoarea VoH2,4 V. Pentruaceasta, se stabilete alimentarea circuitului la Vcc = 4,75V i se utilizeazschema de testaredin figura 4.11.

a). b).Figura 4.11 Determinarea nivelului VoH.

Pentru determinarea experimental se va utiliza poarta U1D, un voltmetru conectatntre pinii de test 15 i 16 pentru citirea tensiunii la intrare, un voltmetru conectat ntre piniide test 17 i 16 pentru urmrirea tensiunii de ieire i un miliampermetru ntre 18 i 19. Prinajustarea semireglabilului P5 se asigurla intrare tensiunea ViLmax= 0,4V i apoi se stabilete

din P4 un curent IoHmax = 20 IiH echivalent cu FAN-OUT = 20. Se citete i se noteazvaloarea tensiunii la ieirea porii indicatde voltmetrul aferent.Zona de interes a plcii de test pentru msurrile cerute este ilustratn figura 4.11b.

1.3.8. Msurarea curentului de scurtcircuit la ieire

Se efectueazdoar pentru seria standardi se verificdacvaloarea curentului deieire n condiia conectrii acesteia la mas printr-un miliampermetru, este cuprins ntre22mA i 55mA. Ambele intrri se vor conecta mas(figura 4.12a).

a). b).Figura 4.12 Determinarea curentului de scurtcircuit.

Circuitul se alimenteazla Vccmax= 5,25V. Se va utiliza poarta U1B, comutatorul K2se trece n poziia (b) iar pinul de test 7 se conecteazcu pinul de test 8 printr-un conductor.

P1

+

-

Vi

+V

Vcc mi n

+

-

Vo P2

+ -

I oU1C

U1B

I0


9/10


9

Miliampermetrul se nseriaz ntre pinii de test 9 i 10 i se citete valoarea indicat. Seevalueazrezultatul. Zona de interes este ilustratn figura 4.12b.

1.3.9. Determinarea curentului de alimentare al capsulei

Acest curent are valori diferite funcie de starea logica ieirilor. Pentru o msurareconcludent, toate porile din capsul trebuie meninute n aceeai stare. Dac toate ieirilesunt n stare 1, se determincurentulICCHiar dacsunt pe 0 se determinICCL.

Tensiunea de alimentare se fixeazla valoarea maximi se nseriazcu alimentareaplcii de test un miliampermetru. Se noteaz valorile msurate ale curentului de alimentare(ICCHiICCL) pentru diferite serii de circuite TTL.

1.3.10. Reprezentarea caracteristicii de transfer statice

Pentru o poart I-NU din seria standard, se va urmri, prin msurri succesive,dependena tensiunii de ieire Vo de tensiunea de intrare Vi.

a). b).Figura 4.13 Determinarea caracteristicii de transfer statice.

Se va utiliza poarta U1A (figura 4.13a), ntre pinii de test 1 i 2 se conecteazvoltmetrul ce va indica valoarea tensiunii Vi iar ntre pinii de test 3 i 4 voltmetrul care indicvaloarea lui Vo. Comutatorul K1 se fixeazn poziia (b). Cu ajutorul semireglabilului P1 seajusteazvaloarea tensiunii de la intrare, ntre 0 i Vcc, cu pasul de cretere 0,1V. Zona deinteres pentru msurare este reprezentat n figura 4.13b. Pentru fiecare valoare a acesteitensiuni se noteazcorespondentul de la ieire (Vo) completnd urmtorul tabel:

Seria TTL Standard

Vi [V] 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 4 5

Vo [V]

Seria TTL -LS

Vi [V] 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 4 5

Vo [V]

Pe baza rezultatelor, se vor reprezenta grafic valorile, pentru fiecare serie n parte, peaceeai diagram.

Se vor calcula marginile de zgomot de curent continuu n starea 1 i 0 la intrare.

+

-

Vo

+

-

Vi

+V

5V

P1

U1A


10/10


10

Figura 4.14 Caracteristica de transfer static.

1.3.11. Determinarea timpului de propagare

Utiliznd un generator de impulsuri GEN, la intrarea porii U1B se aplicun semnaldreptunghiular, periodic, cu amplitudinea 3,5 V, frecvena 1MHz i factorul de umplere 50%(figura 4.15a). Zona de interes aferentexperimentrii este redatn figura 4.15b.

Se utilizeazpinii de test 7 i 8 pentru intrare (OSC1) iar K2 se fixeazn poziia (a).ntre pinii de test 9 i 10 se va conecta sonda unui osciloscop pentru vizualizarea semnaluluide ieire (OSC2). Pentru simularea condiiilor nefavorabile de ncrcare cu sarcina ieirii, sevor conecta n paralel cu pinii 9 i 10 capaciti de valori diferite (C = 1nF, 10nF, 100nF) i seva urmri, pe osciloscop, efectul acestora asupra timpului de propagare.

a). b).Figura 4.12 Determinarea timpului de propagare.

n urma tuturor msurrilor experimentale, se va completa tabelul urmtor i se varealiza un studiu comparativ concludent.

tpLH tpHL tpLH tpHL

n gol sarcin1nFTTL Standard

TTL-LS

U1B

GEN OSC1

OSC2

C = 1nF

Vo

Vi

Familii de Circuite Integrate Digitale

Documents

Transcript of Familii de Circuite Integrate Digitale