Elettronica I (DU)

ELETTRONICA APPLICATA II (DU)
Guida alle esercitazioni di laboratorio - AA 2000-2001
Esercitazione II.3
Caratteristiche elettriche dei circuiti logici
II.3.1 Inverter a componenti discreti
Costruire il circuito dell’invertitore in logica DTL e verificarne il funzionamento.
a) Posizionando l’oscilloscopio in modalità XY, rilevare la transcaratteristica (VI, Vo). Per
eseguire questa misura applicare all’ingresso dell’inverter (e all’asse x dell’oscilloscopio)
un segnale triangolare compreso tra 0 e 5V.
b) Verificare l’andamento della trascaratteristica per diverse frequenze dell’onda triangolare
di ingresso. Giustificare le variazioni.
c) Misurare I valori di VIH e VIL individuando il punto in cui la tangente alla trascaratteristica
ha inclinazione di 45 gradi.
d) Applicare all’ingresso un segnala ad onda quadra con livelli opportuni (esterni all’intervallo
VIH - VIL), e determinare sperimentalmente i valori tPLH, tPHL, tr, tf. Giustificare le
asimmetrie.
e) Verificare e giustificare l’effetto di un carico capacitivo di 100 pF.
+5V
10k Ω
Vi
1k Ω
Vo
+5V
Vi
1N4148
2N2222
0V
t
II.3.2 Porte logiche
Modificare il circuito precedente in modo da ottenere una porta NAND a due ingressi e
verificarne il funzionamento.
Modificare il circuito o combinarlo con altri simili per ottenere una porta NOR a due ingressi;
verificarne in funzionamento.
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II.3.3 Trascaratteristica di inverter integrato
Attenzione: collegare sempre gli ingressi non utilizzati all’alimentazione
positiva o alla massa, per evitare che si portino a stati logici non definiti.
Usando la tecnica indicata per il punto 3.1, rilevare la transcaratteristica di una porta logica
integrata (inverter), e misurare i parametri VIH ,VIL , VOH e VOL (la misura di VOH/L è
immediata; quella di VIH/L richiede maggiore attenzione). Eseguire l’esperienza sui
componenti di diverse famiglie logiche, mettendo in evidenza le differenze (conviene
collegare i componenti delle diverse famiglie con l’ingresso in parallelo, spostare il canale Y
dell’oscilloscopio sulle uscite e osservare le differenze. Alcuni oscilloscopi accettano un
ingresso X e due ingressi Y).
1)
2)
3)
4)
74HC04
74LS04 o 74S04
74LS05
74HC14
inverter CMOS
inverter TTL-LS o S
inverter TTL con uscita OC
inverter CMOS con ingresso a trigger
Per il trigger di Schmitt 74HC14 rilevare la transcaratteristica completa e determinare la
posizione delle soglie di ingresso.
Verificare l’effetto sulla soglia di variazioni della tensione di alimentazione (da 3 a 6 V); cosa
cambia tra componenti CMOS e TTL ?
Verificare l’effeto di carichi in uscita, collegati verso massa o verso l’alimentazione
(dimensionare i carichi in modo da far scorrere correnti prossime a IOH/L .
Esempio di trascaratterisitca per
porta TTL-LS con alimentazione a 5
V (curva A) e 3,5 V (B). Le scale
degli assi X e Y sono indicate nella
figura.
Notare che la VOH è sempre di
circa 1,5 V più bassa della tensione
di alimentazione, e che la VOL
rimane costante a 0,2 V circa.
La tensione di soglia rimane
pressochè invariata a 0,7 V circa.
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Trascaratteristica di
invertitore CMOS, con
alimentazione a 5 V (curva
C) e 3,5 V (D).
Notare che VOH e VOL sono
praticamente coincidenti
rispettivamente con la
tensione di alimentazione e
con la massa.
La tensione di soglia VTH
(evidenziata dalle fasce
gialle), è proporzionale alla
tensione di alimentazione.
Avvertenze:
In questa esperienza i circuiti logici vengono utilizzati con ingresso lineare, e quindi la soglia
di ingresso viene attraversata con un segnale a variazione lenta. Questo può determinare
oscillazioni in corrispondenza dell’attraversamento della soglia. Curare i collegamenti di
massa e alimentazione (brevi e diretti); in presenza di auto-oscillazioni inserire un
condensatore di bypass sull’alimentazione (100 nF ceramico multistrato).
La misura di VOH e VOL sulla trascaratteristica è agevole, in quanto basta osservare la
tensione dei tratti orizzontali. Dato che questi parametri sono definiti da disuguaglianze e per
determinati valori di corrente in uscita, per una verifica corretta occorre caricare il circuito
sotto esame in modo da far scorrere nel morsetto di uscita la corrente IOH oppure IOL , ed
eseguire la misura in queste condizioni (vedi anche esperienza 3.5).
Più difficile è la misura di VIH e VIL : nei circuiti bipolari (TTL-LS) occorrerebbe rilevare il
punto con tangente a 45°. Nei circuiti CMOS la transcaratteristica di uno specifico
componente permette di identificare solo la tensione di soglia VTH del componente sotto
misura. Per rilevare VIH e VIL occorrerebbero più misure su vari componenti e in condizioni
operative (temperatura, alimentazione, ….) diverse.
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II.3.4 Ritardi di un inverter integrato
Per il 74LS04 (o per il 74HC04) misurare i tempi di ritardo collegando 6 invertitori in cascata,
e misurare il ritardo tra uscita del primo inverter e ingresso dell’ultimo (in questo modo si
fanno misure su porte che lavorano nelle condizioni di riferimento, cioè collegate ad altre
della stessa famiglia). Il ritardo complessivo (nel caso della catena facilmente misurabile con
gli strumenti disponibili in laboratorio) va diviso per il numero di componenti interposti.
Vi
Vi
Dato che ogni elemento della catena è invertente, i fronti H>L diventano L>H e viceversa; la
misura complessiva corrisponde a una somma di una serie di tPHL e di tPLH.
Verificare le differenze fra le misure eseguite utilizzando, per collegare l’oscilloscopio, i cavi
diretti e la sonda.
Avvertenze
Per eseguire la misura usare un segnale di ingresso a onda quadra, con livelli
opportunamente predisposti (prima di collegare il generatore al circuito).
La misura è fortemente influenza dalle capacità parassite presenti sui nodi della catena.
Utilizzare le sonde attenuate, sia per ridurre al minimo il carico capacitivo, sia per avere
condizioni perfettamente simmetriche sui due canali dell’oscilloscopio.
Per verificare le differenze tra segnali misurati con un cavo diretto e attraverso le sonde
lasciare la sonda sempre collegata, e collegare e scollegare nello stesso punto di misura il
cavo diretto.
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II.3.5 Variazioni dei parametri con il carico
Ripetere la misura delle tensioni e dei ritardi su una singola porta, variando il carico
sull’uscita.
Le misure dei parametri di un dispositivo logico vanno eseguite in condizioni quanto più
possibile prossime a quelle di funzionamento reale. Il dispositivo deve essere pilotato da un
circuito della stessa famiglia, e pilotare almeno un carico della stessa famiglia.
a) Collegare in uscita un carico statico (resistenza), calcolato in modo da simulare le
condizioni di carico massimo (IO = IOH e IOL). Verificare i valori di VOH e VOL .
b) Collegare in uscita una capacità da 300pF, e ripetere la misura dei tempi di propagazione
(punto 3.4).
Vu
Per la cascata di due invertitori DTL in figura misurare la variazione di livello e del tempo di
ritardo sull’uscita intermedia V2 per R uguale a 10 kΩ e 1 kΩ (la variazione della resistenza R
simula diverse condizioni di carico per la prima porta logica).
+5V
1k Ω
R
1kΩ
10k Ω
V1
V2
2N2222
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