Lab 5 Enkle logiske kretser - DTL og 74LS00

Transkript

1 Universitetet i Oslo FYS1210 Elektronikk med prosjektoppgave Lab 5 Enkle logiske kretser - DTL og 74LS00 Sindre Rannem Bilden 4. april 2016 Labdag: Tirsdag Labgruppe: 3

2 Oppgave 1: Funksjonstabell En logisk krets kan beskrives av en funksjonstabell. En funksjonstabell viser hvilke utganger som er høy og lav avhengig av signalene på inngangene. En NAND krets skal ha et høyt utsignal så lenge minst én av to innganger er lav. Om begge inngangene er høy skal utsignalet være lav. Et ferdigbygget kretskort (Figur 1) ble koblet til en 12V spenningkilde som reguleres ned til 5V. Inngangene A og B ble skiftet systematisk mellom høy og lav. Signalet på utgangen ble indikert av en diode og lagt i tabell. Man kan se at Tabell 1 stemmer godt over den teoretiske tabellen for en NAND-krets. Oppgave 2: Spenningskarakteristikk Digitage signaler baserer seg på høye og lave signaler til å representere av og på (1 og 0), for å kunne definere av og på må det være et klart skille på høyt og lavt signal. S2 på kretskortet i Figur 1 ble latt være på og spenningen der dioden skifter tilstand ble notert. Senere ble S2 fjernet og det ble manuelt gjort en spenningskarakteristikk av kretsen ved bruk av multimeter. Dioden skiftet tilstand ved V = 1.1V. Spenningskarakteristikken er vist i Figur 2. Figur 1: Illustrasjon av en NAND-krets (Fra laboratoriehefte) Resulatene fra testen ble lagt i Tabell 1. A B Ut Tabell 1: Funksjonstabell for inngangene A og B. Figur 2: Spenningskarakteristikken til utgangen ved spenning på A. 1

3 Fra Figur 2 kan man se at det skjer et skift ved V A = 1.1V, som dioden også viste. Ved V A = 1.1V er V Ut 3.4V. Om man ser på signalstyrken i db i forhold til fullt signal ligger V Ut = 3.4V på: [ ] 3.4V db(3.4v ) = 20 log 3dB 5V Som er definert som grensen for et fullt signal. Oppgave 3: Logikk på signal Logiske kretser brukes som regel på digitale signaler hvor signalet enten er veldefinert høyt eller lavt. Logiske kretser kan derimot også brukes på analoge signaler men vil reagere digitalt. Figur 3: Sammenheng mellom utsignal (kvadratisk signal) og inngangssignal (sinusidal). En signalgenerator ble koblet på inngangen til kretsen og til et oscilloskop. Utangen ble koblet til samme oscilloskop for å kunne sammenlikne signalene inn og ut av kretsen. Frekvensen fra generatoren ble satt til 1kHz og amplituden ble variert mellom 2 og 6V pp Ved å variere signalstyrken fra 2 til 6V pp kunne man tydelig se at utsignalet var på så lenge inngangsignalet V A var over 1.1V. Figur 3 og 4 viser dette. Figur 4: Forstørrelse av signalet for å illustrere grensespenning. Dette resultatet stemmer godt overens med hva man kunne se i Oppgave 2, av samme grunn som i Oppgave 2 er grensen 1.1V da dette tilsvarer 3dB i utgangssignalet. 2

4 Oppgave 4: Signalforsinkelse I all elektronikk vil det være en form for forsinkelse da i det ligger fysikk som grunnlag for komponentenes virkemåte. Forsinkelsen vil være mer tydelig for høye frekvenser da endringene skjer over små tidsrom hvor kretsen potensielt ikke kan reagere raskt nok. Sindre Rannem Bilden Signalgeneratoren ble satt til kvadratiske signaler med en signalstyrke på 4V pp, signalfrekvensen ble økt til området 100kHz for å finne den høyeste frekvensen DTL-kretsen klarer å gjenngi. Senere ble signalet satt til 100kHz og tidsforsinkelsen mellom inngangsignal og utgangsignal ble målt. Figur 6: Tidsforsinkelse for starten av signalet. Maksimal frekvens ble basert på Figur 5 målt til 138kHz, her er varigheten til utgangsignalet kun halvparten av varigheten av signalet inn. Tidsforsinkelsene for start og slutt på signalet er vist i Figur 6 og 7 respektivt. Figur 7: Tidsforsinkelse for slutten av signalet. Fra Figur 5 kan man se at utgangsspenningen behøver tid for å bygge seg opp. Man kan se at tiden for å stoppe signalet er mye kortere enn tiden for å starte signalet. Dette kan skyldes treghet i kretsen for å åpne gaten i transistoren og at kretsen reagerer raskere for å skru signalet av. Figur 5: Spenningskarakteristikken til utgangen ved spenning på A. 3

5 Oppgave 5: Schottkydiode En schottkydiode brukes ofte i kretser med høye frekvenser da den har rask reaksjonstid. Den kan derfor hjelpe en krets med å takle høye frekvenser. Signalfrekvensen ble skrudd opp til den maksimale frekvensen funnet i Oppgave 4 og tidsforsinkelsen ble målt. Senere ble S1 koblet på og inkluderer en en schottkydiode i kretsen. Fra Figur 8 og 9 kan man se at en schottkydiode reduserer forsinkelsen i signalet fra 2000ns til 320ns. Den maksimale frekvensen med schottkydiode ble 680kHz. Figur 9: Signalet for samme frekvens på en krets med schottkydiode. Figur 10: Signalet for maksimal frekvens på en krets med schottkydiode. Figur 8: Maksimal frekvens for en krets uten schottkydiode. Om man ser tilbake til Laboratorieøvelse 3 kan man se at stigningen til strømmen mot spenning er mye raskere for en schottkydiode i forhold til andre dioder. Dette gjør at schottkydioden er praktisk i kretser der signalene endres fort. Resultatene viser også dette ved en betraktelig bedre respons for raske frekvenser. 4

6 Oppgave 6: 74LS00 Logiske kretser kan også komme som integrerte kretser i små brikker, 74LS00 er et eksempel som inneholder fire uavhengige NAND-krtser. Integrerte kretser har ofte lavere strømforbruk og er raskere enn større kretser, samtidig som de gjør tilkoblinger lettere. 74LS00 har schottkydioder mellom basis og kollektor på alle kritiske transistorer. Som resultatene fra Oppgave 5 viste vil disse transistorene få en mye bedre responstid og kunne operere ved høyere frekvenser enn uten diodene. Figur 12: Strømkarakteristikk for 74LS00 En karakteristikk over utgangsspenning opp mot inngangsspenning ble gjort, senere ble det gjort en karakteristikk for inngangsstrøm opp mot inngangsspenning. Senere ble det forsøkt å finne den maksimale frekvensen som komponenten kunne takle. Spenningskarakteristikken ligger som Figur 11 og strømkarakteristikken ligger som Figur 12. Figur 13: Forsøk på å måle maksimal operativ frekvens. Figur 11: Spenningskarakteristikk for 74LS00 Man kan se at strømkarakteristikken har en lineær form frem til V Inn = 1.4V hvor den kollapser. Den samme verdien kan man se på spenningskarakteristikken der utspenningen kollapser. Kretskortet viste varierende resultater avhengig om spenningen ble skrudd opp eller ned til samme verdi som kan gi mulige feil. Basert på Figur 11 og 12 vil man kunne anta at V Inn 1.4V er den reelle grensen for å nå 3dB i utsignalet. 5

7 Det ble gjort et forsøk på å måle maksimal operativ frekvens direkte, som ble konkludert at ikke var mulig da signalgeneratoren ikke ga høy nok frekvens. I tillegg blir signalene så uskarpe at usikkerheten er for stor. I etterkant ble det forstått at man kan måle dette ved å se på forsinkelsen for en lavere frekvens og beregne for en høyere frekvens. Schottkydiodene som ligger mellom basis og kollektor er veldig gunstige komponenter for å la kretsen takle høyere frekvenser. Uten denne dioden vil det bygge seg opp ladning slik at transistoren går i metning. Grunnen til at det er en diode av typen schottky som plassert mellom base og kollektor er fordi den leder ved lavere spenninger enn transistoren ( 0.3V mot 0.7V ), vanlige silisiumdioder vil ikke gi samme egenskaper da de leder ved omtrent samme spenning som transistoren. Sindre Rannem Bilden 6