5. mérés Logikai kapuk vizsgálata (BME-MIT, Hainzmann János) Bevezetés A mérés az elterjedten használt CMOS logikai IC-k legfontosabb áramköri jellemzőinek megismerésével, lemérésével foglalkozik. Egyben egy műszerkezelési gyakorlat is: a vizsgált paraméterek megméréséhez digitális oszcilloszkóp és hullámforma generátor használata szükséges. A mérés elméleti alapjai 1. Logikai szintek Az elektronikus digitális áramkörök bemenetein és kimenetein a bináris számjegy ill. logikai változó értékét egy-egy feszültségszint, az ún. logikai szint reprezentálja. A pozitívabb logikai szintet H (High: magas) szintnek, a negatívabb logikai szintet L (Low: alacsony) szintnek nevezik. A paraméterszórások miatt a logikai szintekhez egy-egy feszültségtartomány tartozik. A bemenethez és a kimenethez tartozó feszültségtartományok határai eltérőek, de az egy áramkörrendszerhez, áramkörcsaládhoz tartozó egységek kimeneti feszültségtartományainak a bemenetre specifikált tartományok határain belülre kell esniük az üzembiztos működéshez, hiszen a kimenettől a vezérelt bemenet felé haladva a jel "szórása" csak növekszik a környezetből felvett zavarjelek miatt. Az adatlapokon elsősorban a logikai szinttartományoknak a másik szint felé eső határát, az U L maximális és az U H minimális értékeit specifikálják (1. ábra), mert a zavarmentes működés szempontjából ezek lényegesek. (Az indexben az I a bemenetre (In), az O a kimenetre (Out) utal.) A bemeneten az L és H szint tartományát a másik irányban a még megengedhető, tönkremenetelt nem okozó jelfeszültség értéke (maximum rating) határolja, az ábrán ez az U Irmin és az U Irmax érték. u ki u be 1. ábra Logikai feszültségszintek U OHmin U OLmax H L U ZMH U ZML H L U Irmax U IHmin U ILmax U Irmin Az L és a H szinthez a 0 és az 1 jelérték kétféleképpen rendelhető. Az egyértelműség végett a logikai áramkörök adatlapjain az L és H jelöléseket szokás használni. 2. Transzfer karakterisztika és a komparálási feszültség A logikai áramkörök esetében a transzfer karakterisztikán a feszültség-transzfer karakterisztikát értik, azaz hogyan változik a kimenő feszültség a bemenő feszültség függvényében egy adott áramkörnél. Ez a karakterisztika megmutatja az áramkör viselkedését, amikor a bemenő feszültség eltér a névleges logikai szintektől Ezt az eltérést okozhatják például zavarjelek. A karakterisztikának azt a pontját, melynél a kimenő feszültség megegyezik a bemenő feszültséggel, komparálási pontnak nevezik, és az ehhez a ponthoz tartozó feszültség az U K 1/9
komparálási feszültség. A kapuáramkörök a komparálási szintnél kisebb bemeneti feszültséget lényegében L értéknek, az annál nagyobbat pedig H értéknek érzékelik, de a helyes működés csak akkor garantált, ha a bemenő jelek az előírt tartományban vannak. A karakterisztika statikus kimérése általában nem lehetséges, mert a bemenő feszültség csak nagyon rövid ideig lehet az átváltási tartományban, az ún. komparálási feszültség közelében. A komparálási feszültség közelében ugyanis jelentősen megnő a kapu áramfelvétele, ami túlmelegedést (a nagysebességű CMOS áramköröknél akár meghibásodást is) okozhat. Azonkívül ebben a tartományban (átváltási vagy lineáris tartomány) a kapuáramkör erősítőként viselkedik és könnyen gerjed. Ezért a karakterisztikát működés közben, célszerűen a 2. ábrán látható elrendezésben, az oszcilloszkóp X-Y üzemmódjában vegye fel. Oszcilloszkóp X Y GND Ucc 2. ábra Transzfer karakterisztika felvétele oszcilloszkóppal Jelgenerátor u be u ki A jelforrás kiválasztásánál a következőkre kell ügyelni. A kapu bemenetére adott jel nem lépheti túl a kapura specifikált határértékeket. A biztonság kedvéért mindig ellenőrizze a jel pozitív és negatív csúcsértékét az oszcilloszkóppal, dc. csatolású állásban, mielőtt a jelet a kapu bemenetére ráadja. Túl gyorsan, ugrásszerűen változó jel a mérésre nem alkalmas, mert a képernyőn "húzott" vonal ilyenkor alig látszik, és a kapu saját jelterjedési ideje is meghamisítja a mérést. Kedvező a háromszögjel alkalmazása, de szinuszjel vagy trapézjel is megfelelő, ill. bármely nem ugrásszerű jel. Az analóg oszcilloszkópok függőleges és vízszintes csatornájának frekvenciamenete (amplitúdó- és fázismenete) különböző, a vízszintes csatorna határfrekvenciája rendszerint lényegesen kisebb. Ez korlátozza az alkalmazható mérőjel változási sebességét. Ellenőrzésképpen a mérés előtt a mérőjelet egyidejűleg rá kell vezetni az oszcilloszkóp vízszintes és függőleges csatornájára. Ha ilyenkor a képernyőn egy egyenest látunk, akkor ebben a frekvenciatartományban a vízszintes és függőleges csatorna frekvenciamenete azonos, és nem okoz hibát. Digitális oszcilloszkópok esetében ez a probléma nem jelentkezik, mert a méréshez használható mindkét csatorna frekvenciamenete azonos szokott lenni. Ha az áramkör u ki = f(u be ) transzfer karakterisztikája ismert, akkor arról az U K feszültség könnyen leolvasható. Nem invertáló jellegű áramkör esetén az origóból indított m = 1 meredekségű egyenes (az u be = u ki pontok helye) a transzfer karakterisztikát az U L, U K, U H feszültségű pontokban metszi. Invertáló jellegű áramkör esetén az origóból indított m = 1 meredekségű egyenes a transzfer karakterisztikát csak az U K feszültségű pontban metszi. Az U L és U H feszültség meghatározható a karakterisztika felcserélt tengelyekkel történő berajzolásával (részletesen lásd [1]), de ha a 2/9
karakterisztika a logikai szintek környezetében elég vízszintes, akkor ezek az értékek e nélkül is leolvashatók (3. ábra). u ki U H u ki u be = m=1 U K U L U K Transzfer karakterisztika u be 3. ábra Komparálási feszültség meghatározása a transzfer karakterisztikából 3. Zavarvédettség A környezet különféle zavaró hatásai miatt a logikai szint eltolódhat. Ezt úgy értelmezhetjük, hogy az eredeti, "jó" jelre egy zavarjel ül rá, és a jelenséget a jelvezetékbe iktatott zavarfeszültség-forrással modellezhetjük A zavarvédettséget a még megengedhető (eltűrhető) amplitúdójú zavarjellel adják meg. Eltűrhető az a zavarjel, amely esetén az áramkör még helyesen működik, bemenetén még az eredeti logikai értéket érzékeli. A megengedhető zavarjel természetesen az áramkör tönkremenetelét sem okozhatja. A megengedhető zavaramplitúdó nyilvánvalóan függ a zavarjel szélességétől is, mert az egészen rövid impulzusokra az áramkör kevésbé reagál, saját véges működési sebessége miatt. Ezért megkülönböztetjük a statikus és a dinamikus zavarvédettséget. Ha a zavarjel lényegesen hosszabb ideig hat, mint az áramkör jelterjedési ideje, akkor a zavarjel szélessége már nem befolyásolja a megengedhető amplitúdót, és a zavarás statikusnak tekinthető. A statikus worst-case zavarfeszültség-tűrés (worst-case noise margin) a logikai szintek worstcase specifikációjából egyértelműen meghatározható: U ZML = U ILmax - U OLmax U ZMH = U OHmin - U IHmin Tipikus zavarvédettség Az átlagos paraméterű áramkörök névleges hőmérsékleten és névleges tápfeszültségen mutatott zavartűrése, a tipikus zavarvédettség meghatározásánál meg kell különböztetni az ún. egyedi zavarást és az ún. lánczavarást. Egyedi zavarás esetében a zavart bemenetű jelvevő áramkör utáni hálózatrészben nincs zavarás, és a helyes logikai állapot fennállását a hálózatrész kimenetén, a zavart áramkör utáni n-edik elem kimenetén ellenőrizzük. Az egyedi zavarás feltételezése azt a gyakorlati esetet közelíti, amikor egy berendezés modulokból (pl. kártyákból) épül fel, és a modulokat összekötő, viszonylag hosszú jelvezetékeken lényegesen nagyobb zavarjelek keletkeznek, mint a modulokon belüli rövid összekötő vezetékeken. Az egyedi zavarás esetére az adódik (részletesen lásd [1]), hogy ha a zavarfeszültség hatására az első áramkör bemenetén a feszültség nem tolódik az U K feszültségen túl, akkor a kimeneti feszültségek az eredeti logikai szintek felé konvergálnak, a modul kimenetén helyes szint lesz. 3/9
Az U K az a feszültség, amit a kapu bemenetére ráadva a kimeneten éppen ugyanakkora (azaz U K nagyságú) feszültséget hoz létre. L állapotban a tipikus zavarfeszültség-tűrés: H állapotban a tipikus zavarfeszültség-tűrés: U ZtL = U K - U L U ZtH = U H - U K Az ún. lánczavarás esetén feltételezzük, hogy a hálózat minden pontjánál van zavarás, és a zavarjelek amplitúdója (U z ) egyforma nagyságú. Ebben az esetben a transzfer karakterisztika m = 1 meredekségű pontjainak van kitüntetett szerepe, és a megengedhető zavarjel kisebb. Emiatt a gyártmányismertetők a kedvezőbb benyomást keltő, az egyedi zavarásnál érvényes tipikus zavarvédettséget szokták közölni, mint jellemző tipikus adatot. Az áramkörök dinamikus zavarérzéketlenségét leggyakrabban úgy jellemzik, hogy megadják a megengedhető zavarjel amplitúdóját (U Zd ) az impulzusszélesség függvényében, egy adott mérési elrendezésben. Hivatkozások, felkészüléshez ajánlott irodalom [1] Dr. Hainzmann János Dr. Varga Sándor Dr. Zoltai József: Elektronikus áramkörök, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2000, ISBN: 963 19 11365 14. Digitális áramkörök jellemzői, 312-324 old. 17. CMOS logikai áramkörrendszerek, 347-358 old. [2] Stephen M. Nolan, Jose M. Soltero: Understanding and Interpreting Standard-Logic Data Sheets (Rev. B); Texas Instruments Application Report: SZZA036B, May 2003, 68 p. www.ti.com, szza036b.pdf, 857 Kbytes [4] Eilhard Haseloff: Designing With Logic (Rev. C); Texas Instruments Application Report: SDYA009C, June 1997, 27 p. www.ti.com, sdya009c.pdf, 186 Kbytes Felkészülés a mérésre A mérést megelőző otthoni felkészülésként végezze el az alábbiakat önállóan. 1. Olvassa át alaposan a logikai kapuk egyes jellemzőivel foglalkozó leírást A mérés elméleti alapjai c. szakaszban! 2. Olvassa el és gondolja végig a Mérési feladatokat! 3. Válaszolja meg a (mérési leírás végén található) Ellenőrző kérdéseket! A felkészülést a mérésvezető a mérés elején minden esetben ellenőrzi. Alkalmazandó műszerek és eszközök Oszcilloszkóp Agilent 54622A Függvénygenerátor Agilent 33220A PC NEC TM600 Digitális multiméter (6½ digit) Agilent 33401A Mérőpanel VIK-07 Kábel-lezárások Átmenő 50 Ohmos Különféle logikai kapuk (IC-k) 74HC04, 74HC04U, 74AS04, 74*14, 74HC74 4/9
Mérési feladatok 1. Logikai kapuk késleltetésének vizsgálata Helyezzen be egy 74HC04 típusú CMOS inverter IC-t a "VIK-07" jelzésű mérőpanel baloldali alsó ZIF (Zero Insertion Force, zéró behelyezési erő) foglalatába. (A mérésvezető más, de ugyanilyen lábkiosztású inverter IC vizsgálatát is kijelölheti.) A foglalat a kis kar függőleges állapotában van nyitva, az IC behelyezése után a kart vízszintes állapotba kell forgatni, amikor is az összezáródó érintkezők biztos kontaktust képeznek. A behelyezésnél ügyeljen arra, hogy az IC 1 sorszámú lába a foglalat ponttal jelölt sarkához essen, mert különben az IC fordított polaritású tápfeszültséget kap és tönkremegy. Ezután adja rá a +5 V tápfeszültséget a mérőpanelre. Az IC-ben található 6 db invertert a foglalathoz kapcsolódó huzalozás láncba (sorba) köti, a mérőpanelen látható vázlatnak megfelelően (4. ábra). Az inverterlánc bemenete a baloldali, BNC típusú csatlakozóra kapcsolódik. 4. ábra A mérőpanel Az inverterlánc bemenetét a hullámforma generátorral (waveform generator) hajtsa meg, és ügyeljen arra, hogy a csatlakozó kábel ne okozzon jelalak-torzulást. A vizsgált logikai IC-k viszonylag gyorsak, terjedési idejük 10 ns nagyságrendű, vizsgálatukhoz hasonlóan gyors fel- és lefutású jelek szükségesek. Ebben a sebességtartományban már az egy méter hosszú jelvezeték sem tekinthető elektromosan pontszerűnek, hanem távvezetékként működik. Ezért a mérésnél ügyelni kell arra, hogy ne lépjenek fel zavaró reflexiók. A hullámforma generátor kimenő ellenállása 50 Ohm, és a laboratóriumban használt BNC csatlakozós koaxiális kábelek hullámellenállása is általában 50 Ohm. Ha ilyen kábelt használunk, akkor az adóoldalon biztosítva van az illesztés, és nem lesz többszörös reflexió a vezetéken, és így jelalak-torzulás sem. 5/9
Az 50 Ohm kimenő ellenállás miatt a generátor kimenetén jelszintet a terhelés is befolyásolja. A generátor beágyazott számítógépe figyelembe veszi a terhelés által előidézett feszültségesést a generátor kimenő ellenállásán, és úgy vezérli a belső jelalak-előállító áramkört, hogy a feltételezett terhelő ellenálláson pontosan a beállított jelszintek alakuljanak ki. Ezért a generátor Utility menüjében a terhelést is be kell állítani. A kapuk bemenő ellenállása viszonylag nagy, ezért a függvénygenerátor beállításánál a kimenet terhelését állítsa célszerűen "Hi-Z" állapotba. 1.1 Egy inverter jelterjedési időinek mérése Mérje meg az IC első inverterének jelterjedési időit oszcilloszkóppal! A terjedési idő méréséhez hajtsa meg az inverterlánc bemenetét egy kb. 1 MHz frekvenciájú négyszögjellel, melynek L szintje 0 V, H szintje pedig +5 V. A bemenet túlvezérlése a CMOS IC meghibásodását okozhatja, ezért még a négyszögjelnek a mérőpanelre csatlakoztatása előtt ellenőrizze a jelszinteket az oszcilloszkópon. Az oszcilloszkópot a kiskapacitású mérőfejjel csatlakoztassa (5. ábra). A mérőfejjel óvatosan bánjon, mert az erőltetéstől könnyen károsodhat, és pótlása nagyon költséges. 5. ábra Csatlakozás a mérőpanelhez Ne felejtse el, hogy a logikai kapuk esetében a terjedési időt egy, a specifikációban rögzített feszültségszinten való áthaladásnál mérik. Ez a feszültségszint a komparálási szintnél, vagy annak közelében van rögzítve (6. ábra). A 74HC áramkörcsalád CMOS technikával készül. A CMOS áramkörök tipikus komparálási szintje a tápfeszültség felénél van, és a specifikációk is a tápfeszültség 50%-án történő áthaladásnál értelmezik a késleltetési adatokat. (Kivétel a bemenetén TTL kompatibilis 74HCT áramkörcsalád.) A terjedési időket a kurzorvonalak segítségével mérje meg. Először állítson egy-egy vízszintes kurzorvonalat (Y1 és Y2) a bemenő jel és a kimenő jel megfelelő szintjéhez. Utána az összetartozó metszéspontokhoz állítson függőleges kurzorvonalakat (X1 és X2), és olvassa le a terjedési időt. 6/9
U in Propagation delay times U H 5V_CMOS +5 V TTL U K U L +2,5 V +0 V +1,5 V t PHL t PLH U out U H +5 V U K +2,5 V +1,5 V t U L +0 V 6. ábra A jelterjedési idők értelmezése 1.2 Az inverterlánc jelterjedési időinek mérése Mérje meg az IC 6 sorba kapcsolt inverterének eredő terjedési időit oszcilloszkóppal! A mérések eredményét hasonlítsa össze az egy inverter mérésének eredményeivel! Az inverterlánc terjedési ideje hatszorosa az 1 inverter esetén mért értéknek? Ha nem, mi lehet az eltérés oka? 2. Logikai kapuk kimenő jelének vizsgálata 2.2 Fel- és lefutási idő mérése A jelterjedési idő vizsgálatához használt mérési összeállítással mérje meg az első inverter kimenetén a felfutási időt, majd a lefutási időt a kurzorvonalak segítségével! A fel- ill. lefutási idő általánosan elfogadott meghatározása: Az állandósult feszültségértékek közti tartomány 10% és 90% közti részén való áthaladás ideje. Mérje meg a felfutási és lefutási időt az oszcilloszkóp Quick Measurement menüjének megfelelő utasításaival is! Ne felejtse el, hogy ezek a "funkciók" a képernyőn látható jelalakot veszik alapul, a megfelelő szintek beállításához a képernyőn egyértelműen látszódniuk kell az állandósult állapotoknak. 3. Komparálási feszültség meghatározása Határozza meg egy 74HCU04 típusú inverter (vagy a mérésvezető által kijelölt más típusú) kapu komparálási szintjét időtartománybeli vizsgálattal! A vizsgálatot célszerű úgy végezni, hogy a bemenet és kimenet jelalakját ábrázoló csatornák nulla szintjét a képernyőn ugyanoda állítjuk. (Az oszcilloszkóp a képernyő baloldali sávjában jelöli meg az egyes csatornák nulla szintjének pozícióját.) Ekkor a kimenő és bemenő jel feszültséghelyesen rajzolódik egymásra, és a két jel metszéspontja adja a komparálási feszültséget. Jól értékelhető ábrához megfelelő bemenő jelet kell választani. A választás szempontjai lényegében azonosak a transzfer karakterisztika oszcilloszkópon történő felvételénél elmondottakkal. (Lásd a Mérés elméleti alapjai részt!) A bemenő jel legyen egy szimmetrikus kitöltésű háromszögjel, melynek L szintje 0 V, H szintje +5 V. A jelet először ellenőrizze az oszcilloszkópon, és csak utána adja rá az IC-re! A modern, gyors CMOS logikai kapu IC-k, mint például a 74HC család, gyors fel- ill. lefutású bemenő jeleket igényelnek. Ezek az IC-k pufferelt kimenetűek, és ennek következtében az 7/9
átváltási aktív tartományban egy három fokozatú erősítőnek tekinthetők, és ebben a tartományban hajlamosak a gerjedésre. Rendes működéshez ezen a tartományon gyorsan kell átfutni. Érdemes megnézni egy ilyen kapu kimenetét, amikor a ráadott háromszögjel frekvenciája 10 khz nagyságrendű. A 74HCU04 típusjelölésben az U betű az Unbuffered felépítésre utal, ennél a típusnál egy inverter áramkörileg is csak egy fokozatú. 4. Transzfer karakterisztika felvétele 4.1 Vegye fel az előző feladatban vizsgált kapu(k) transzfer karakterisztikáját! Mérje meg a kimenő feszültséget a bemenő feszültség függvényében az oszcilloszkóp X-Y üzemmódjában! (A karakterisztika felvételét a Mérés elméleti alapjainál leírtak figyelembe vételével végezze!) 4.2 A felvett transzfer karakterisztika alapján határozza meg a következőket: Mekkora a kapu tipikus L és H szintje a kimeneten? Mekkora a komparálási feszültség? Mekkora a kapu tipikus zavarvédettsége? 7. Előkészítési idő meghatározása Helyezzen egy 74'74 típusú flip-flop IC-t a mérőpanel Flip-flop feliratú foglalatába, gondosan ügyelve arra, hogy az IC 1 sorszámú lába megfelelő pozícióba kerüljön. Az adatlap alapján állapítsa meg az 1-6 lábak funkcióját! A panelre épített három impulzusgenerátor segítségével állítson össze egy olyan mérési elrendezést, mely alkalmas a flip-flop 0-ból 1-be billenéséhez tartozó előkészítési idő meghatározására. Mérje meg az előkészítési időt! Mérje meg a flip-flop Q kimenetének az órajelhez viszonyított késleltetési idejét! Súgó a méréshez: Az előkészítési idő (T SU, Setup Time) értelmezés a 7. ábrán látható. A vizsgált flip-flop az órajel felfutó élénél billen. Ahhoz, hogy a flip-flop a D adatbemenet értékét felvegye, a D bemenetnek az órajel élét T SU idővel megelőzően már az adott értékűnek kell lennie. Ha a D bemenet később változik, a flip-flop nem fogja felvenni ezt az értéket, ahogy azt a szaggatott vonallal ábrázolt jel mutatja. 7. ábra Az előkészítési idő értelmezése és mérése 8/9
A 7. ábra egyben a mérési elrendezést is sugallja. Órajelként használjuk a panel "legfelső" impulzus-generátorának negált kimenetét, a t1 impulzusszélesség legyen kb. 60 ns. Az impulzusszélesség a forgatógombbal állítható. Kiindulásként a forgatógombok legyenek középtájon, mert a "minimális" állásban a jel egyszerűen eltűnhet. Az oszcilloszkóp külső triggerjeleként a másik, a ponált kimenetet használjuk, így a triggerjel kábele nem torzítja az órajel alakját. A D jelet vegyük a "középső" generátorról. A fliop-flop alapállapotba vitelére használjuk a "legalsó" beépített impulzusgenerátort, melyet kössünk a flip-flop L szinten aktív -Clr (Clear, Reset, törlő) bementére. Az L szinten aktív beállító (Pr, Preset) bemenet nem hagyható szabadon, arra kössünk "1" szintet, azaz tápfeszültséget. Kiegészítő mérési feladatok 6. Hiszterézises bemenetű áramkörök vizsgálata Határozza meg egy hiszterézises bemenetű (Schmitt-triggeres) inverter bemeneti komparálási szintjeit, és számítsa ki a hiszterézis nagyságát. Gondolja végig, hogy milyen hatása van a hiszterézises bemenetnek az áramkör zavarérzékenységére. 7. Tartási idő meghatározása Helyezzen egy 74'74 típusú flip-flop IC-t a mérőpanel Flip-flop feliratú foglalatába, gondosan ügyelve arra, hogy az IC 1 sorszámú lába megfelelő pozícióba kerüljön. A panelre épített három impulzusgenerátor segítségével állítson össze egy olyan mérési elrendezést, mely alkalmas a flip-flop 1-ből 0-ba billenéséhez tartozó tartási idő meghatározására. Mérje meg a tartási időt! Ellenőrző kérdések 1. Mi a kapu ún. transzfer karakterisztikája? 2. Hogyan értelmezik a komparálási feszültséget? 3. Hogyan határozható meg a transzfer karakterisztikából a komparálási feszültség? 4. Rajzoljon fel egy mérési elrendezést logikai kapu transzfer karakterisztikájának felvételéhez! 5. Hogyan határozható meg egyszerűen egy kapu komparálási szintje olyan kétcsatornás oszcilloszkóppal, melynek nincs X-Y üzemmódja. 6. Hogyan határozható meg a logikai kapu worst-case zavarfeszültség-tűrése? 7. Hogyan határozható meg a logikai kapu tipikus zavarfeszültség-tűrése ún. egyedi zavarást feltételezve? 8. Hogyan értelmezik a lefutási időt? 9. Hogyan definiálják a jelterjedési időt a TTL logikai áramköröknél? 10. Hogyan értelmezik az előkészítési időt? 11. Hogyan értelmezik a tartási időt? 9/9