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 (V I, V o ). 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 V IH e V IL 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 V IH - V IL ), e determinare sperimentalmente i valori t PLH, t PHL, t r, t f. Giustificare le asimmetrie. e) Verificare e giustificare l effetto di un carico capacitivo di 100 pf. 10k Ω 1k Ω Vo 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. 1
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 V IH,V IL, V OH e V OL (la misura di V OH/L è immediata; quella di V IH/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) 74HC04 inverter CMOS 2) 74LS04 o 74S04 inverter TTL-LS o S 3) 74LS05 inverter TTL con uscita OC 4) 74HC14 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 I OH/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 V OH è sempre di circa 1,5 V più bassa della tensione di alimentazione, e che la V OL rimane costante a 0,2 V circa. La tensione di soglia rimane pressochè invariata a 0,7 V circa. 2
Trascaratteristica di invertitore CMOS, con alimentazione a 5 V (curva C) e 3,5 V (D). Notare che V OH e V OL sono praticamente coincidenti rispettivamente con la tensione di alimentazione e con la massa. La tensione di soglia V TH (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 V OH e V OL 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 I OH oppure I OL, ed eseguire la misura in queste condizioni (vedi anche esperienza 3.5). Più difficile è la misura di V IH e V IL : 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 V TH del componente sotto misura. Per rilevare V IH e V IL occorrerebbero più misure su vari componenti e in condizioni operative (temperatura, alimentazione,.) diverse. 3
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. 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 t PHL e di t PLH. 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. 4
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 (I O = I OH e I OL ). Verificare i valori di V OH e V OL. 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). 1kΩ R 1kΩ V1 10k Ω V2 2N2222 5