Digitalna Integrisana Kola - Praktikum

ELEKTRONSKI FAKULTET U NIŠU KATEDRA ZA ELEKTRONIKU

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA Praktikum za laboratorijske vežbe

Milun Jevtić Goran Stančić Marko Cvetković

Niš, 2006

Sadržaj PRAVILA ZA RAD LABORATORIJSKIH VEŽBI IZ PREDMETA DIGITALNA INTEGRISANA KOLA

1

I DEO SIMULACIJA POMOĆU PSPICE-A

3

1

5 5 7 7 8 8 8 11 13 13 15 17 17 20 20 21 22 23 25 27 31 33

2

3 4

5 6 7 8

ANALIZA ELEKTRONSKIH KOLA 1.1 SPICE i PSPICE simulator MICROSIM DESIGN CENTER 5.1 2.1 Tipovi analize koji se mogu vršiti 2.1.1 Analiza kola u jednosmernom režimu 2.1.2 Analiza u frekvencijskom domenu 2.1.3 Analiza u vremenskom domenu i Furijeova analiza KORIŠĆENJE MICROSIM DESIGN CENTER SOFTVERSKOG PAKETA PRIPREMA KOLA ZA SIMULACIJU – PROGRAM SCHEMATICS 4.1 Osnovni prikaz i meniji 4.2 Otvaranje fajla sa električnom šemom kola 4.3 Definisanje vrednosti komponenata i drugih parametara 4.3.1 Atributi elemenata kola i njihova promena 4.4 Definisanje napajanja i talasnih oblika ulaznih signala 4.4.1 Definisanje atributa generatora napajanja 4.4.2 Definisanje atributa pobudnih generatora 4.5 Provera električnih pravila i kreiranje netliste 4.6 Izbor tipa analize POKRETANJE SIMULACIJE – PROGRAM PSPICE ANALIZA REZULTATA SIMULACIJE – PROGRAM PROBE KRATAK PREGLED KORIŠĆENA LITERATURA

II DEO PRAKTIKUM SPISAK VEŽBI VEŽBA 1 CMOS LOGIČKA KOLA Teorijski uvod Uputstvo za rad VEŽBA 2 TTL LOGIČKA KOLA Teorijski uvod Uputstvo za rad

35 37 39 39 39 47 59 59 59 67

VEŽBA 3 ECL LOGIČKA KOLA Teorijski uvod Uputstvo za rad VEŽBA 4 IMPULSNA KOLA REALIZOVANA NAPONSKIM KOMPARATORIMA Teorijski uvod Uputstvo za rad VEŽBA 5 GENERATORI LINEARNE VREMENSKE BAZE Teorijski uvod Uputstvo za rad VEŽBA 6 INTEGRISANI TAJMER 555 Teorijski uvod Uputstvo za rad

77 77 77 83 89 89 89 95 103 103 103 107 111 111 111 119

PRAVILA ZA RAD LABORATORIJSKIH VEŽBI

1

Pravila za rad laboratorijskih vežbi iz predmeta Digitalna integrisana kola Laboratorijske vežbe iz predmeta Digitalna integrisana kola izvode se u Laboratoriji za elektroniku – soba 204, po istaknutom rasporedu časova, uz prisustvo angažovanog nastavnika/saradnika. Za adekvatnu opremljenost i ispravnost postavljanih radnih mesta za laboratorijske vežbe odgovoran je laborant i angažovano lice za izvođenje vežbi. Student ne sme pristupiti radnom mestu sa neispravnom maketom ili radnom mestu bez neophodne instrumentacije. Svaka laboratorijska vežba se radi u trajanju od dva školska časa – 90 minuta (nije moguće da student u toku dva školska časa uradi više od dve vežbe). Laboratorijsku vežbu postavljenu na jednom radnom mestu mogu raditi najviše 2 (dva) studenta tokom jednog termina za izvođenje vežbi. Student je dužan da po istaknutom rasporedu časova redovno dolazi da radi laboratorijske vežbe. Za svaku laboratorijsku vežbu student je u obavezi da se teorijski pripremi. Ukoliko student ne dobije pozitivnu ocenu teorijske pripremljenosti, ne može pristupiti radu na vežbi. Student počinje rad na vežbi na osnovu zadatka za vežbu, ali uključivanje izvora napajanja sme da izvrši tek nakon dobijene dozvole od angažovanog lica. Student dobijene rezultate piše izveštaj za urađenu vežbu popunjavajući Praktikum. Student je dužan da Praktikum sa potpunim izveštajem za prethodno urađenu vežbu ima u terminu kada radi narednu vežbu. Angažovano lice za izvođenje laboratorijskih vežbi je dužno da za svakog studenta utvrdi teorijsku pripremljenost za izvođenje laboratorijskih vežbi. Nakon pozitivne ocene pripremljenosti i provere veza za svaku maketu, angažovano lice dozvoljava dalji rad na vežbi. Angažovano lice za izvođenje laboratorijskih vežbi je dužno da studentima dâ i dodatna uputstva za uspešnu realizaciju zadatka laboratorijskih vežbi. Svaku uočenu neispravnost opreme i makete student je obavezan da odmah prijavi angažovanom licu za izvođenje laboratorijskih vežbi. Angažovano lice je dužno da odmah preduzme mere za stvaranje mogućnosti da student uradi vežbu. Svako zlonamerno činjenje štete i onemogućavanje normalnog odvijanja vežbi, biće sankcionisano. Najstrože je zabranjeno korišćenje ličnih prenosivih memorijskih medijuma (flipi diskete, CD, flash memorije). Svako prebacivanje fajlova sa računara u laboratoriji na lične memorijske medije i obrnuto, biće sankcionisano. Prvi deo svake vežbe je simulacija pomoću PSPICE-a. Snimanje talasnih oblika za ovaj deo vežbe podrazumeva posmatranje talasnih oblika signala u zadatim tačkama u programu Probe i njihovo crtanje na predviđenim mestima u Praktikumu, vodeći računa o njihovim faznim stavovima i vremenskoj i naponskoj osi. Drugi dao svake vežbe je snimanje talasnih oblika pomoću osciloskopa, koje podrazumeva osciloskopsko sinhrono posmatranje talasnih oblika naponskih signala u zadatim tačkama kola i njihovo crtanje na predviđenim mestima u Praktikumu, vodeći računa o njihovim faznim stavovima i vremenskoj i naponskoj osi.

2

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

Student koji u toku semestra iz opravdanih razloga izostane sa jedne laboratorijske vežbe, omogućiće se naknadno laboratorijsko vežbanje u terminu koje zakaže angažovano lice. Evidencija prisutnosti studenata, urađenih vežbi (redni broj vežbe i datum rada) i ocena (izveštaj i odbrana izveštaja), vodi se u svesci povezanih spiskova studenata po grupama. Svaki student mora imati svoj primerak Praktikuma za laboratorijske vežbe iz predmeta Digitalna integrisana kola po kojem radi svaku vežbu. Rad na laboratorijskim vežbama angažovano lice za izvođenje laboratorijskih vežbi ocenjuje ocenama od 5(pet) do 10(deset). U ocenu za jednu vežbu ulaze ocena za izveštaj za prethodnu vežbu i ocena za usmenu odbranu izveštaja. Ocena 5 (pet) znači da student nije položio. Student mora da položi sve vežbe (da dobije najmanje ocenu 6) da bi dobio pozitivnu konačnu ocenu. Prosečna ocena sa svih laboratorijskih vežbi ulazi u konačnu ocenu na ispitu (25% ukupne ocene). Samo student koji je uspešno uradio sve vežbe ima pravo na overu u indeksu – potpis angažovanog lica za izvođenje laboratorijskih vežbi. Za poštovanje svih prethodnih stavova prvenstveno će se starati angažovano lice za izvođenje laboratorijskih vežbi.

I DEO Simulacija pomoću PSPICE-a

MicroSim PSPICE i Design Center 5.1

SIMULACIJA POMOĆU PSPICE-A

5

1 Analiza elektronskih kola Pod analizom elektronskih kola podrazumeva se postupak pomoću koga se može izračunavanjem odrediti odziv elektronskog kola ukoliko je poznata pobuda. Kako je analiza složenih kola veoma komplikovana, za nju je neophodno korišćenje računara. Softver za analizu elektronskih kola pomaže projektantima da verifikuju performanse i provere karakteristike projektovanog kola pre njegove izrade. Sam proces analize elektronskog kola pomoću računara drugačije se naziva – simulacija, a softver koji se koristi za analizu – simulator. Da bi mogao da se simulira rad nekog kola neophodno je opisati ponašanje tog kola odgovarajućim sistemom jednačina. Svaki element kola doprinosi sistemu jednačina saglasno načinu na koji je matematički opisan njegov uticaj na rad kola, odnosno načinu na koji je definisan električni model tog elementa. Međutim, jedno elektronsko kolo se različito ponaša zavisno od režima u kome radi. Shodno tome, modeli koji opisuju ponašanje elemenata razlikuju se u zavisnosti od režima rada. U skladu s tim, mogu se izdvojiti tri osnovna tipa analize: -

analiza jednosmernih režima (DC) – testiraju se jednosmerne (DC) karakteristike kola; analiza naizmeničnih režima (AC analiza ili analiza u frekvencijskom domenu) – utvrđuju se frekvencijske karakteristike kola; - analiza u vremenskom domenu (analiza prelaznih režima) – analizira se odziv kola u vremenu. Od pomenutih analiza za kurs Digitalna integrisana kola od značaja će biti samo analiza jednosmernih režima i analiza u vremenskom domenu.

1.1 SPICE i PSPICE simulator SPICE (Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis) je simulator elektronskih kola opšte namene. To je snažan program koji se koristi pri projektovanju integrisanih kola i štampanih ploča kako bi se proverio integritet električne šeme kola koje se razvija i predvidelo ponašanje kola posle fabrikacije. Originalno je razvijen u Electronics Research Laboratory na University of California, Berkley, 1975. godine. Od tada se pojavilo mnogo različitih komercijalnih verzija ovog simulatora kao što su PSPICE (kompanije MicroSim, kasnije OrCAD, a sada vlasništvo Cadance Design Systems), TSPICE (Tanner Research), HSPICE (kompanije Meta Software, sada vlasništvo Synopsys) i drugi. SPICE poseduje svoj ulazni jezik kojim se opisuje kolo koje je predmet analize u simulaciji. Taj ulazni jezik ima svoju sintaksu, a rezultat tog opisa je ulazna datoteka tekstualnog tipa. SPICE simulator generiše jednu tekstualnu izlaznu datoteku, a, ukoliko korisnik to želi, generiše i jednu grafičku izlaznu datoteku koja omogućava grafički prikaz razultata simulacije. Pored pomenutih datoteka SPICE koristi i bibliotečke ulazne datoteke, u kojima se nalaze modeli komponenata (dioda, tranzistora, flip-flopova itd). Na kursu Digitalna integrisana kola koristićemo simulator PSPICE. PSPICE je verzija SPICE-a koja se pokreće na personalnim računarima (PC, otuda je “P” prvo slovo u njegovom imenu). PSPICE može da simulira analogna, digitalna i hibridna kola (kola sa mešovitim signalima, tj. kola koja sadrže i digitalne i analogne elemente).

SIMULACIJA POMOĆU PSPICE-A

7

2 MicroSim Design Center 5.1 Softverski paket za analizu elektronkih kola MicroSim Design Center 5.1 sastoji se od pet programa. To su: -

Schematics – program za unos i proveru električnih šema.

-

PSpice – simulator elektronskih kola

-

Probe – grafički postporcesor koji omogućava grafički prikaz rezultata simulacije (talasni oblici, jednosmerne i frekvencijske karakteristike kola i sl.)

-

Stimulus Editor – program za definisanje pobude kola.

-

Parts – program za kreiranje i izmenu modela komponenata.

Zahvaljujući programu Schematics nije neophodno ulaznu datoteku kreirati kao tekstualnu, opisivanjem kola pomoću ulaznog jezika SPICE, već je omogućeno crtanje električne šeme. Posle unošenja električne šeme, pozivom odgovarajućih opcija se kreira tekstulana ulazna datoteka koju program PSpice koristi u simulaciji. Sama simulacija se može pokrenuti iz programa Schematics pozivom odgovarajuće opcije iz menija. Po završetku simulacije programom PSpice, pokreće se program Probe koji omogućava grafički prikaz rezultata simulacije. Što se tiče same analize kola, programski paket MicroSim Design Center omogućava pokretanje osnovnih i naprednih analiza kola. Pomoću ovog softverskog paketa se može obavljati: -

Analiza kola u jednosmernom režimu rada (DC), frekvencijskom (AC) i vremenskom (Transient) domenu, što omogućava testiranje odziva kola za različitu ulaznu pobudu.

-

Parametarska analiza, Monte-Carlo analiza, analiza osetljivosti i ponašanja kola u najgorem slučaju (worst-case analiza), što omogućava da se utvrdi kako će se ponašati kolo kada se menjaju vrednosti nekih njegovih parametara i komponenata.

-

Digitalna worst-case vremenska analiza koja omogućava detekciju i lokalizaciju problema sinhronizacije koji se javljaju samo u posebnim slučajevima.

Pored pomenutog ovaj softverski paket nam omogućava korišćenje bogatog skupa bibliotečkih modela analognih i digitalnih komponenata. Modeli koji se mogu koristiti nisu ograničeni samo na osnovne pasivne (otpornike, kondenzatore, kaleme) i poluprovodničke komponente, već se mogu koristiti modeli generatora različitih pobuda, MOS tranzistora (šest modela), prenosnih linija (uključujući kašnjenje i gubitke), digitalnih komponenata sa analognim ulazno/izlaznim modelima i mnoge druge. Takođe je omogućena promena karakteristika postojećih elemenata kola promenom parametara ugrađenih električnih modela tih elemenata, čime se isključuje potreba za kreiranjem novih elemenata.

2.1 Tipovi analize koji se mogu vršiti Sve analize koje se mogu vršiti pomoću programskog paketa MicroSim Design Center se mogu podeliti u dve grupe: osnovne i napredne. U osnovne tipove analiza spadaju 1) analiza u jednosmernom režimu (DC), 2) analiza u frekvencijskom domenu (AC) i 3) analiza u vremenskom domenu. Ovde ćemo dati kratak prikaz samo osnovnih tipova analize.

8

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

2.1.1 Analiza kola u jednosmernom režimu Analizom kola u jednosmernom režimu vrši se evaluacija odziva kola na jednosmernu pobudu. Softverski paket MicroSim Design Center 5.1 omogućava dve varijante ovog tipa analize kao što je prikazano u Tabeli 1. Tabela 1 Analiza u jednosmernom režimu (DC analiza) DC analiza

PSpice izračunava sledeće:

DC sweep

Naponi, struje i stanja digitalnih izlaza kada se vrednost naponskog ili strujnog izvora, parametra modela, temperature ili nekog globalnog parametra menja u nekom opsegu vrednosti.

Bias point detail

Početne vrednosti napona i struja (bias point) u svim tačkama u kolu. Ova vrednost se može upisati u fajl da bi se kasnije učitala, korišćenjem opcije Load/Save Bias Point.

2.1.2 Analiza u frekvencijskom domenu Ova analiza daje odziv kola na naizmeničnu pobudu. U Tabeli 2. dat je rezime koja izračunavanja PSpice vrši za ovaj tip analize. Tabela 2 Analiza u frekvencijskom domenu (AC analiza) AC analiza

PSpice izračunava sledeće:

AC sweep

Odziv na male signale (linearizovan u okolini radne tačke) kada se frekvencija jednog ili više izvora pobude menja u okviru nekog opsega frekvencija. Izlazi obuhvataju amplitude i faze napona i struja. Ova informacija se može iskoristiti za crtanje Bodeovih dijagrama.

Šum

Za svaku frekvenciju specificiranu u AC analizi: - Doprinos svakog generatora šuma u kolu ukupnom šumu na izlazu kola - Suma efektivnih vrednosti šumova na izlazu kola - Ekvivalentni ulazni šum.

Napomena: Analiza šuma se može vršiti samo kada se izabere AC sweep analiza.

2.1.3 Analiza u vremenskom domenu i Furijeova analiza U okviru ove analize vrši se evaluacija odziva kola na pobudu koja je promenljiva u vremenu. U Tabeli 3. sumirano je šta sve izračunava PSpice kada se izabere ovaj tip analize.

SIMULACIJA POMOĆU PSPICE-A

9

Tabela 3 Analiza u vremenskom domenu Analiza u vremenskom domenu i furijeova analiza

PSpice izračunava sledeće:

Analiza u vremenskom domenu

Naponi, struje i stanja digitalnih signala u vremenu. Za digitalne signale propagaciono kašnjenje se može postaviti na minimalno, tipično ili maksimalno.

Furijeova analiza

Jednosmerne komponente i Furijeovi koeficijenti rezultata analize u vremenskom domenu.

Napomena: Furijeova analiza se može vršiti samo kada se selektuje analiza u vremenskom domenu.

Pored ovih osnovnih analiza, u PSPICE-u se mogu vršiti i ranije pomenute parametarska i temperaturska analiza, kao i Monte-Carlo analiza, analiza osetljivosti i analiza ponašanja kola u najgorem slučaju (worst-case ili corner analiza).

SIMULACIJA POMOĆU PSPICE-A

11

3 Korišćenje MicroSim Design Center softverskog paketa Na Slici 1. prikazan je tok procesa simulacije, kao i koji programi se koriste u svakom od pojedinačnih koraka.

Slika 1 Tok procesa simulacije U daljem tekstu uputstva ograničićemo se samo na one programe koji su neophodni za izvođenje laboratorijskih vežbi za kurs Digitalna integrisana kola. To su programi: 1) Schematics, 2) PSpice i 3) Probe. Pomoću ovih programa mogu se izvesti najosnovnije analize elektronskih kola, što je dovoljno za nivo znanja koji su studenti koji slušaju ovaj kurs stekli do sada.

SIMULACIJA POMOĆU PSPICE-A

13

4 Priprema kola za simulaciju – program Schematics 4.1 Osnovni prikaz i meniji Schematics je program koji se koristi kako bi se elektronsko kolo opisalo i pripremilo za simulaciju. Opis i priprema kola za simulaciju podrazumevaju: -

postavljanje i povezivanje simbola elemenata;

-

definisanje vrednosti komponenata i drugih parametara;

-

definisanje talasnih oblika ulaznih signala (pobude);

-

aktiviranje jednog ili više tipova analiza;

-

obeležavanje tačaka u kolu u kojima želimo da posmatramo rezultate simulacije.

Schematics je takođe kontrolna tačka iz koje se mogu pozivati ostali programi koji se koriste tokom simulacije.

Slika 2 Osnovni prozor programa Schematics Kako namena ovog uputstva nije detaljan opis načina korišćenja programa Schematics i opcija koje ovaj program nudi, ovde ćemo se ograničiti na iznošenje samo najosnovnijih informacija. Pored toga, kako kursom Digitalna integrisana kola nije predviđeno učenje unošenja električne šeme, o postavljanju i povezivanju elemenata ovde neće biti reči. Električne šeme kola koja se analiziraju

14

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

su, zapravo, unapred pripremljene, a zadatak studenta je samo izvođenje simulacije i interpretacija rezultata Prilikom pokretanja programa Schematics na ekranu se ukazuje osnovni prozor ovog programa (Slika 2). Kao što može da se vidi, program je po pokretanju spreman za unošenje nove električne šeme. Na prozoru programa Schematics mogu se uočiti tri osnovne celine: -

Linija sa menijima – koja se nalazi odmah ispod naslovne linije;

-

Radna površina – veći deo prikaza, koji predstavlja površinu na koju se nanose elementi, vrši njihovo povezivanje i obavljaju druge akcije iz procesa unoošenja (crtanja) električne šeme kola;

-

Statusna linija – u samom dnu prozora.

U liniji sa menijima može se uočiti ukupno devet padajućih menija: •

File

Standardne opcije za manipulaciju fajlovima i štampanje. To su opcije za otvaranje nove električne šeme (New), otvaranje postojeće šeme (Open), snimanje šeme na disk (Save i Save As), štampanje (Print) i podešavanje štampača (Print Setup) i napuštanje programa (Exit)

•

Edit

Standardne opcije za izmene fajla (električne šeme) kao štio su Copy, Cut, Paste i sl.

•

Draw

Opcije za unošenje elemenata na radnu površinu, njihovo povezivanje, unošenje teksta u električnu šemu.

•

Page

Opcije za manipulacije listovima (sheet) aktivnog projekta, pošto jedan projekat (električna šema) može da se realizuje na nekoliko listova.

•

Zoom

Zumiranje prikaza (uvećanje i smanjenje)

•

Configure

Konfigurisanje samog Schematics programa. Sadrži opcije za definisanje veličine stranice, podešavanje koje će se informacije prikazivati na radnoj površini pri postavljanju elemenata i slično.

•

Analysis

Aktiviranje i inicijalizacija simulacije. Iz ovog menija se pozivaju ostali programi koji se koriste u simulaciji (PSpice i Probe).

•

Markers

•

Help

Opcije za postavljenje markera na pojedine tačke u kolu, kako bi se mogle videti vrednosti napona i struja u njima. Sistem pomoći

Radna površina služi za crtanje električne šeme kola koje želimo analizirati. Kako je već rečeno na kursu Digitalna integrisana kola se neće učiti unos električnih šema pomoću Schematicsa, već će se koristiti unapred pripremljene šeme. Statusna linija se sastoji od tri polja i ona nije trenutno od značaja. Pomenućemo samo da se u krajnje levom polju statusne linije ispisuju koordinate kursora u odnosu na levi gornji ugao radne površine. U konkrtnom primeru koordinate korsora su 1,41 i 1,54 u inčima.

SIMULACIJA POMOĆU PSPICE-A

15

4.2 Otvaranje fajla sa električnom šemom kola Otvaranje fajla sa električnom šemom obavlja se na standardan način, izborom menija File, i opcije Open iz ovog menija (File -> Open). Na ekranu se ukazuje prozor (dialog-box) iz koga biramo fajl koji želimo da otvorimo. Fajlovi koji sadrže opis električne šeme za Schematics imaju ekstenziju SCH (npr. invertor.sch). Na Slici 3 prikazan je dialog-box pri otvaranju fajla.

Slika 3 Prikaz dialog-boxa pri izboru opcije File->Open U gornjem delu dialog-boxa nalazi se polje gde se može uneti pun naziv fajla koji želimo da otvorimo. Naravno, fajl sa tim imenom mora da postoji u direktorijumu na kome se nalazimo (tekućem direktorijumu). To je direktorijum čiji pun naziv putanje (Path) piše ispod pomenutog polja ( u ovom slučaju to je c:\msim). Pored pomenutog mogu se uočiti i dve liste: lista File u kojoj se navedeni svi Schematics fajlovi u tekućem direktorijumu, i lista Directory, koja omogućava kretanje kroz stablo direktorijuma. Kretanje kroz stablo direktorijuma se vrši dvostukim pritiskom na levi taster miša, dok je miš pozicioniran na direktorijum na koji želimo da pređemo (standardan način kretanja kroz Windows foldere). Kada uđemo u željeni direktorijum, iz File liste (koja će tada pokazati sve Schematics fajlove iz tog direktorijuma) sa desne strane odaberemo željeni fajl (pozicioniranjem na ime fajla i pritiskom na levi taster miša), a zatim kliknemo na dugme "ОK". Program sada učitava odabranu električnu šemu i ona se prikazuje na radnoj površini. Izgled prozora Schematicsa po otvaranju fajla prikazan je na Slici 4. U konkretnom slučaju radi se o kolu koje treba da omogući simulaciju CMOS invertora u vremenskom domenu, kako bi se dobila njegova prenosna karakteristika.

16

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

Slika 4 Radna površina programa Schematics po otvaranju fajla Kada se završi rad sa nekom električnom šemom, moguće je, korišćenjem opcije New iz File menija, otvoriti novu radnu površinu za crtanje nove šeme ili ponovo otvoriti neku ranije zapamćenu šemu. Pošto ova verzija Design Centera nema mogućnost manipulacije većim brojem fajlova istovremeno, u oba slučaja fajl na kojem se do tada radilo se zatvara. Na kraju ćemo pomenuti i koji elementi će biti korišćeni na laboratorijskim vežbama iz predmeta Digitalna integrisana kola. Elementi koji će se koristiti mogu se svrastati u pet grupa: 1) izvori napajanja i pobudnih signala 2) pasivni elementi 3) poluprovodničke komponente i operacioni pojačavači 4) logička kola 5) globalni konektori Iako je moguće korišćenje i strujnih i naponskih izvora, ovde ćemo dati pregled samo naponskih izvora napajanja i pobude. Oni su prikazani u Tabeli 4. Za nas će od posebnog interesa biti samo VSRC (napajanje), VPWL (za izračunavanje prenosnih karakteristika), VPULSE (kao generator okidnih impulsa i digitalne pobude) i samo u pojedinim slučajevima VSIN. Što se tiče pasivnih elemenata koristićemo otpornike, kondenzatore i kalemove.

SIMULACIJA POMOĆU PSPICE-A

17

Tabela 4 Naponski izvori napajanja i pobude Naziv elementa VEXP VPULSE VPWL VSFFM VSIN

Tip izvora Eksponencijalna pobuda Impulsna periodična pobuda Segmentno-linearna pobuda FM generator za jednu frekvenciju Sinusna pobuda

VSRC

Jednosmerno napajanje

Gde se koristi Analiza u vremenskom domenu Analiza u vremenskom domenu Analiza u vremenskom domenu AC i analiza u vremenskom domenu AC i analiza u vremenskom domenu DC analiza

Od poluprovodničkih komponenata koristićemo BJT, MOS tranzistore i diode. Operacioni pojačavači biće korišćeni u nekim impulsnim kolima i kolima za generisanje linearne vremenske baze (testerastog talasnog oblika) Od logičkih kola koristiće se CMOS i TTL kola. ECL logičko kolo koje će biti korišćeno je realizovano u diskretnoj tehnici. Primer globalnog konektora su simboli sa oznakom Vul i Viz na Slici 4. Oba simbola omogućavaju da se obeleže pojedine tačke u kolu kako bi se olakšalo praćenje vrednosti signala u njima. Programski paket MicroSim Design Center nudi još mnoštvo drugih elemenata, ali smo se ovde ograničili samo na one koje ćemo koristiti na laboratorijskim vežbama. Ono što je ovde važno reći je da za svaki korišćeni element u simulatoru PSpice postoji električni model u odgovarajućoj biblioteci, koji se odlikuje određenim atributima. Ti atributi se mogu menjati u programu Schematics.

4.3 Definisanje vrednosti komponenata i drugih parametara Kada se unese električna šema ili se otvori već postojeća, dalje se može obaviti pregled ili promena pojedinih vrednosti parametara elemenata kola. Kako smo već pomenuli, sveki element kola je u simulatoru predstavljen svojim električnim modelom. Električni model elementa nije ništa drugo nego matematički opis ponašanja tog elementa u kolu. S obzirom da kolo može raditi u različitim režimim (jednosmerni, naizmenični i sl.), za jedan element definisan je odgovarajući model za svaki režim (tip analize). U zavisnosti od režima rada kola, za izračunavanja u analizi tog kola uzeće se i odgovarajući modeli elemenata. Međutim, ono što važi za svaki model, bez obzira na režim za koji je definisan, je da on ima neke parametre. Ti parametri su karakteristični za dati element i nazivaju se atributima elementa. Atributi elementa su npr. otpornost otpornika, kapacitivnost kondenzatora, propagaciono kašnjenje logičkog kola i slično. Na konkretnom primeru kola sa Slike 4 videćemo kako se mogu menjati atributi logičkih kola (ovde CMOS invertora U1) i otpornika (R1).

4.3.1 Atributi elemenata kola i njihova promena Pregled i promena atributa bilo kog elementa se obavlja selektovanjem tog elementa na šemi (klikom miša) i izborom opcije Attributes iz menija Edit (Edit->Attributes ili samo prečica sa tastature CRTL+A). To se alternativno može uraditi i samo dvostrukim klikom mišem na željeni element. Kada se ovo obavi na primeru CMOS invertora sa Slike 4, na ekranu se pojavi prozor izgleda kao na Slici 5.

18

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

Slika 5 Pregled i izmena atributa logičkog kola Ovde ćemo pomenućemo samo neke atribute. Sa slike se vidi da atribut PART ukazuje na tip i familiju logičkog kola. Oznaka 74HC04 ukazuje da se radi o CMOS invertoru HC familije. Atribut MNTYMXDLY omogućava postavljanje kašnjenja digitalnog kola na minimalnu (0), tipičnu (1) i maksimalnu (2) vrednosti. Pomenućemo još i atribut IO_LEVEL kojim se praktično definiše koji nivo modela podkola za interfejs PSpice koristi za digitalno kolo koje je povezano sa analognim kolom. Ovaj parametar može da uzima vrednost od 0 do 4. Predefinisana vrednost za IO_LEVEL je 0, dok će u najvećem broju slučajeva u kolima koja će se analizirati na laboratorijskim vežbama iz predmeta Digitalna integrisana kola, ovaj parametar biti postavljen na 2. Ta vrednost je najpogodnija kada ulazni napon varira oko vrednosti napona praga logičkog kola. Izmena atributa se izvodi selektovanjem atributa i klikom na dugme Change. Sam postupak izmene parametra biće objašnjen kasnije u tekstu. Kada su u pitanju pasivni elementi pregled i promena atributa će biti ilustrovani na primeru otpornika iz kola sa Slike 4. To je prikazano na Slici 6.

Slika 6 Pregled i izmena atributa otpornika Atributom REFDES se definiše oznaka elementa na električnoj šemi. Pošto on ima vrednost R1, oznaka otpornika na šemi (Slika 4) će biti R1. Drugi atribut koji nam je ovog trenutka od interesa je value, čija vrednost ukazuje na vrednost pasivnog elementa, u ovom slučaju otpornika. Sa Slike 6

SIMULACIJA POMOĆU PSPICE-A

19

se vidi da je upotrebljen otpornik od 1 kΩ. Izmena ove vrednosti se može obaviti selektovanjem atributa mišem i klikom na dugme Change, posle čega se ukazuje novi prozor prikazan na Slici 7.

Slika 7 Promena atributa value za otpornik U polju value se može uočiti da je tekuća vrednost otpornika 1k. Da bi se ova vrednost izmenila dovoljno je samo u ovo polje upisati novu vrednost otpornosti. Pri tome treba voditi računa o oznakama za jedinice. Ukoliko se ne unese oznaka jedinice ili prefiks umnoška te jedinice, program će smatrati da se radi o omima (oznaka Ohm). Ukoliko se unese samo umnožak (k, M, G i sl.) nije potrebno unositi jedinicu. Na Slici 7 treba uočiti i dve selektovane opcije: Changeable in Schematics, koja ukazuje da se dati atribut može menjati u Schematics editoru na samoj šemi, i Dispay Value, koja ukazuje da će vrednost otpornika moći da se vidi na šemi (vidi ponovo Sliku 4). Ukoliko se prvopomenuta opcija isključi, praktično se zabranjuje izmena vrednosti datog atributa. Ukoliko se isključi druga opcija, na šemi se više neće videti vrednost otpornika već samo njegova oznaka (R1). Ukoliko su ove dve pomenute opcije selektovane, moguće je vršiti direktnu izmenu vrednosti atributa koji je prikazan na šemi. To je drugi, malo brži, način izmene atributa koji je posebno pogodan kada je potrebno češće menjati samo jedan atribut datog modela elementa. Ovaj postupak se izvodi jednostavno dvostukim klikom na samu vrednost atributa u električnoj šemi. Prikaz koji se sada otvara omogućava promenu samo tog atributa, što je ilustrovano na Slici 8.

Slika 8 Direktna promena vrednosti atributa u Schematicsu Sada je potrebno samo uneti novu vrednost atributa. Sve ovo, vezano za pregled i izmenu atributa, važi za sve elemente koji se mogu uneti korišćenjem programa Schematics.

20

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

4.4 Definisanje napajanja i talasnih oblika ulaznih signala Definisanje napajanja i talasnih oblika i vrednosti ulaznih signala (pobude) zapravo predstavlja definisanje atributa generatora. Za napajanje to su generatori napajanja (mi ćemo koristiti samo naponske, tj. tipa VSRC). Za pobudu ćemo pomenuti samo tri tipa generatora naponske pobude koje ćemo koristiti na laboratorijskim vežbama – generatore segmentno-linearnog (VPWL), impulsnog (VPULSE) i prostoperiodičnog (VSIN) talasnog oblika. Definisanje napajanja i definisanje pobude obavlja se na sličan način kao i definisanje vrednosti komponenata – selektovanjem odgovarajućeg generatora i izborom opcije Attributes iz menija Edit (alternativno CRTL+A).

4.4.1 Definisanje atributa generatora napajanja Napajanje kola predstavljeno je generatorom tipa VSRC. Za generator VSRC, tj. izvor napajanja, definiše se samo njegov jednosmerni napon (atribut DC na Slici 9). U konkretnom slučaju vrednost napona napajanja postavljena je na 5V. Ovde ćemo pomenuti i da je napajanje digitalnih (logičkih kola) predefinisano globalnim parametrom tako da se ne mora posebno definisati. To je i razlog zbog čega u kolu sa Slike 4. nema ni jednog generatora napajanja.

Slika 9 Atributi generatora napajanja (VSRC)

SIMULACIJA POMOĆU PSPICE-A

21

4.4.2 Definisanje atributa pobudnih generatora Prvo ćemo dati prikaz atributa generatora pobude iz kola sa Slike 4. Lista atributa data je na Slici 10.

Slika 10 Atributi naponskog generatora segmentno-linearnog talasnog oblika (VPWL) Pošto se radi o naponskom generatoru segmentno-linearnog talasnog oblika (VPWL) atributi od značaja su t1, v1, t2, v2, itd. Definisanjem vrednosti ovih atributa zapravo se definiše vremenski trenutak i vrednost napona u tom vremenskom trenutku. Funkcija promene napona između dva sukcesivna trenutka, npr. t1 i t2, je linearna, gde je početna vrednost napona v1, a krajnja v2. Za ovaj tip generatora, VPWL, može se definisati do 9 sukcesivnih linearnih segmenata (t1, v1, ... , t10, v10). Ovaj tip pobude je pogodan za izračunavanje prenosne karakteristike kola. Tada se definišu dva segmenta, gde u prvom intervalu napon linearno raste, a u drugom linearno opada. Za generator pravougaonih impulsa (VPULSE) od interesa su atributi: prvi nivo napona (v1), drugi nivo napona (v2), kašnjenje (td), trajanje rastuće i opadajuće ivice (tr i tf), trajanje impulsa (pw) i perioda (per). Primer za vrednosti ovih atributa može se uočiti sa Slike 11. Treba napomenuti da je za ovaj slučaj neophodno definisati atribute tr i tf, pošto u suprotnom simulacija neće moći da dâ dobre rezultate. Ovakav tip generatora pogodan je za definisanje okidnih impulsa.

Slika 11 Atributi generatora napona pravougaonog talasnog oblika (VPULSE)

22

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

Kod generatora napona prostoperiodičnog talasnog oblika (VSIN) atributi od interesa su: jednosmerni ofset (voff), amplituda (vampl) i frekvencija (freq). Primer za vrednosti ovih atributa prikazan je na Slici 12.

Slika 12 Atributi naponskog generatora linearnog talasnog oblika

4.5 Provera električnih pravila i kreiranje netliste Kada se unese električna šema i definišu napajanje i pobuda, završen je prvi korak u pripremi za simulaciju. Sledeći korak je provera električnih pravila i kreiranje netliste. Provera električnih pravila se obavlja izborom opcije Electrical Rules Check iz menija Analysis programa Schematics. Pozivom ove opcije proverava se da li su ispoštovana pravila povezivanja elemenata u kolu. Ukoliko nisu, projektant o tome dobija poruku, posle čega pristupa ispravljanju grešaka. Ovaj korak se ponavlja dok se ne otklone sve greške. Posle toga pristupa se kreiranju netliste. Netlista je zapravo ulazni fajl sa opisom kola koji će simulator PSpice koristiti u procesu simulacije. U netlisti su definisani svi prethodno nacrtani elementi kola i njihove međusobne veze. Kreiranje netliste za unesenu električnu šemu kola obavlja se iz menija Analysis, izborom opcije Create Netlist (Analysis->Create Netlist). Kada se obavi kreiranje netliste može se pristupiti izboru jednog ili više tipova analize.

SIMULACIJA POMOĆU PSPICE-A

23

4.6 Izbor tipa analize Ovaj korak se takođe obavlja iz programa Schematics, i to izborom jedne od podopcija opcije Setup iz menija Analysis. Koje podopcije su na raspolaganju može se videti sa Slike 13.

Slika 13 Izbor tipa analize iz programa Schematics Za laboratorijske vežbe iz Digitalnih integrisanih kola od interesa nam je pre svega analiza u vremenskom domenu (Transient, označena na Slici 13). DC analiza ima posredan značaj zbog toga što se ona prethodi svakoj drugoj analizi, pošto se u njoj izračunavaju početne vrednosti napona i struja u kolu. Izborom podopcije Transient iz opcije Setup otvara se novi prozor koji omogućava definisanje osnovnih parametara analize u vremenskom domenu (Slika 14).

24

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

Slika 14 Definisanje parametara analize u vremenskom domenu Sa Slike 14 možemo uočiti koji su to osnovni parametri ovog tipa analize. Od njih ćemo pomenuti samo one koje su nam od interesa: -

Print Step – Korak štampanja. Za pobudu definisanu u vremenu i date elemente kola, simulator PSpice izračunava napone i struje u karakterističnim tačkama u svakom koraku i upisuje ih u poseban izlazni fajl. PSpice za ovaj tip analize koristi promenljivi korak koji se ne prilagođava definisanom koraku štampanja. Zbog toga se vrednosti izlaznih promenljivih u trenucima koje definiše korak štampanja izračunavaju polinomskom interpolacijom drugog reda.

-

Final Time – Vreme završetka simulacije. Simulacija počinje u trenutku 0.0s a njen završetak definisan je ovim parametrom.

-

No-Print Delay – Vreme početka štampanja. Ovaj parametar definiša koliko dugo od početka simulacije ne treba štampati rezultate simulacije. Predefinisana vrednost je 0.0s, a ukoliko se definiše neka druga vrednost, štampanje počinje u tom trenutku, a završava se u trenutku Final Time.

-

Step Ceiling – Maksimalna vrednost koraka. Kako PSpice ima mehanizam automatske kontrole vrednosti koraka, koji omogućava uvećanje koraka simulacije, ovim parametrom se definiše maksimalna dozvoljena vrednost za korak simulacije.

Kao što sa Slike 14 može da se vidi, iz prozora za definisanje analize u vremenskom domenu može se aktivirati i Furijeova analiza. Na kraju, po definisanju parametara analize, potrebno je selektovati opciju Enable, čime se aktivira analiza u vremenskom domenu. Klikom na dugme OK vraćamo se u Schematics.

SIMULACIJA POMOĆU PSPICE-A

25

5 Pokretanje simulacije – program PSpice Simulacije se pokreće iz programa Schematics. To se može obaviti ili iz menija Analysis, izborom opcije Run PSpice (vidi Sliku 13) ili jednostavnim pritiskom na funkcijski taster F11 sa tastature računara. Pose toga ukazuje se prozor programa PSpice i otpočinje simulacija. Izgled prozora programa PSpice dat je na Slici 15.

Slika 15 Prozor programa PSpice Sa Slike 15. se može videti da je u gornjem delu prikaza programa PSpice ispisana informacija o tome koje kolo se analizira (Simulating circuit), netlisti tog kola (In file) i izlaznom fajlu u koji simulator upisuje izračunate vrednosti (Writing results to). U donjem delu prikaza daje se informacija o koraku simulacije (Time step), trenutnom vremenu (Time) i vremenu završetka simulacije (End). Pošto je Slika 15 uzeta kada je simulacija već bila završena vrednosti za Time i End su identične. Tokom simulacije vrednost Time se menja dok ne se dostigne vrednost End, tj. dok se ne završi simulacija. Po završetku simulacije automatski se otvara prozor programa Probe, koji pomaže u analizi i interpretaciji rezultata simulacije.

SIMULACIJA POMOĆU PSPICE-A

27

6 Analiza rezultata simulacije – program Probe Program Probe služi za grafički prikaz rezultata simulacije. Osnovni prozor programa Probe prikazan je na Slici 16.

Slika 16 Program Probe Na Slici 16 možemo uočiti tri celine: -

liniju sa menijima (u vrhu prozora)

-

oblast prikaza i

-

statusnu liniju (u dnu prozora).

U liniji sa menijima postoji ukupno sedam padajućih menija koji nam nude različite opcije. Ti meniji su: • • • • •

File Analysis Trace Axis Cursor

• •

Zoom Display

Standardne opcije za učitavanje izlaznog fajla simulacije i štampanje Izbor tipa analize Izbor signala čiji grafički prikaz želimo da vidimo Opcije za manipulacije osama Opcije za dovođenje kursora u karakteristične tačke (maksimume, minimume i slično) Zumiranje prikaza (uvećanje i smanjenje) Pamćenje grafičkog prikaza i njegovo kopiranje na clipboard

28

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

U daljem tekstu objasnićemo samo na one menije i opcije koji su od interesa za izvođenje laboratorijskih vežbi. Objašnjenja i slike će i dalje biti vezani za kolo invertora prikazano na Slici 4. U inicijalnom prikazu programa Probe nije iscrtan ni jedan grafik. Prikazan je samo kordinatni sistem gde je obeležena samo X-osa, odnosno vremenska osa (pošto govorimo o simulaciji u vremenskom domenu). Izbor signala čiju grafičku predstavu želimo da vidimo na ekranu vrši se iz menija Trace, izborom opcije Add. Izborom ove opcije na ekranu se pojavljuje novi prozor (Slika 17).

Slika 17 Izbor signala za posmatranje U gornjem delu prikaza je lista raspoloživih signala. Ispod nje se nalaze opcije za izbor koji signali će biti prikazani u listi. U konkretnom slučaju selektovane su opcije Analog (analogni signali), Digital (digitalni signali), Voltages (naponi) i Currents (struje). Izbor signala vrši se tako što se mišem jednom klikne na željeni signal. Kada se klikne na jedan signal, njegov naziv (onaj koji je prikazan i u listi) automatski se upisuje u liniju Trace Command. Napomena – Neophodno je samo jednom kliknuti na jedan signal. Ukoliko se na neki signal iz liste klikne više puta, on će i biti prikazan više puta što će nepotrebno opteretiti prozor za prikaz. Za kolo invertora sa Slike 4 od interesa su ulazni napon – V(Vul) i izlazni napon – V(Viz). Ukoliko kliknemo na jedan, pa na drugi, a zatim kliknemo i na dugme OK, vraćamo se u prozor programa Probe koji sada ima izgled kao na Slici 18.

SIMULACIJA POMOĆU PSPICE-A

29

Slika 18 Prikaz talasnog oblika ulaznog i izlaznog napona za invertor sa Slike 4 Pored toga što u oblasti prikaza sada imamo iscrtane talasne oblike ulaznog i izlaznog napona, možemo uočiti još dve razlike između Slike 18 i Slike 16. Prva razlika je u tome što sada i na Y-osi imamo ispisanu skalu. Pošto se prikazuju naponi ona je u voltima. Druga razlika je u tome što sada, ispod koordinatnog sistema u blizini koordinatnog početka, imamo ispisane nazive signala koje trenutno posmatramo. Sa slike se može videti i da pored naziva svakog signala stoji i oznaka boje kojom je taj signal predstavljen. Signali koji su predstavljeni se mogu ukloniti sa prikaza. To se radi tako što se na prikazu klikne na naziv signala, a zatim pritisne taster Delete sa tastature. Ovo je korisno ako želimo da dodamo nove signale, kako ne bismo previše opterećivali prikaz. Program Probe omogućava i promenu tipa X-ose, koja je inicijalno vremenska. To omogućava posmatranje promene nekog signala u odnosu na neki drugi signal. U prethodnom slučaju posmatrali smo signale u vremenu. Ukoliko želimo da posmatramo zavisnost izlaznog napona od ulaznog napona, potrebno je da uradimo sledeće: prvo, na prethodno opisani način uklonimo ulazni signal iz prikaza, a zatim definišemo da X-osa predstavlja ulazni napon. Definisanje koju veličinu će predstavljati X-osa obavlja se iz menija Axis, izborom opcije X Variable. Pozivom ove opcije otvara se novi prozor, sličan onom sa Slike 17, iz koga za X-osu možemo izabrati jedan od ponuđenih signala. Za kolo sa Slike 4 nam je cilj iscrtavanje prenosne naponske karakteristike, tako da za X-osu treba izabrati promenljivu V(Vul). Rezultat toga je prikazan na Slici 19.

30

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

Slika 19 Prenosna karakteristika invertora sa Slike 4 Ukoliko želimo da vidimo tačnu vrednost napona, struje ili vremena u nekoj tački na grafiku potrebno je aktivirati kursor. To se obavlja iz menija Cursor, izborom opcije Display. Posle izbora ove opcije, kursor se prikazuje na grafiku, a otvara se i novi mali prozor – Probe Cursor –u donjem desnom uglu ekrana. Izgled prozora Probe Cursor dat je na Slici 20. Sada je dovoljno kliknuti na željenu tačku na grafiku i iz prozora Probe Cursor očitati odgovarajuće vrednosti. Sa Slike 20 se može zaključiti da je 5,042 ms od početka simulacije napon 4,7346V.

Slika 2020 Probe Cursor Na kraju ćemo reći da je pozadina prikaza programa Probe zapravo crna. Na slikama 16, 18 i 19 pozadina je promenjena kako bi bile jasnije.

SIMULACIJA POMOĆU PSPICE-A

31

7 Kratak pregled Programi iz paketa MicroSim Design Center koji se koriste na laboratorijskim vežbama: -

Schematics;

-

PSpice;

-

Probe.

Postupak analize kola: Program Schematics: 1) Pokrenuti program Schematics. 2) Iz ovog programa otvoriti fajl sa električnom šemom kola koje se analizira (File -> Open, posle čega se pozivcionira na željeni direktorijum i izabere fajl iz liste ponuđenih). 3) Ako je potrebno, definisati vrednosti pasivnih elemenata i parametre pobude i napajanja (kako je opisano u poglavlju 4 ovog uputstva) 4) Kreirati netlistu i proveriti električna pravila (Analysis -> Annotate, zatim Analysis -> Check Electrical Rules, i na kraju Analysis -> Create Netlist) 5) Ako je potrebno, postaviti parametre simulacije (Analysis -> Setup..., pa izabrati tip simulacije, a onda postaviti parametre). Na laboratorijskim vežbama isključivo će se koristiti simulacija u vremenskom domenu (Transient). 6) Pokrenuti simulaciju (Analysis -> Run PSpice). Tada se pokreće program PSpice. Program PSpice: 7) Po završetku simulacije automatski se pokreće program Probe. Program Probe 8) U programu Probe, izabrati signale koje treba posmatrati (Trace -> Add..., zatim iz liste ponuđenih signala izabrati one koji su od interesa). Najbolje je signale birati jedan po jedan. 9) Ukoliko je potrebno posmatrati prenosnu karkateristiku izabrati promenljivu za X osu (Axis -> X Variable) 10) Ukoliko je potrebno odrediti tačnu vrednost nekog napona ili izmeriti neki vremenski interval uključiti kursor (Cursor -> Display). Ukoliko je potrebno ponovo izvšiti analizu kola za izmenjenu vrednost nekog parametra, ponavlja se ceo postupak, od tačke 3) do 10).

SIMULACIJA POMOĆU PSPICE-A

33

8 Korišćena literatura Milunka Damnjanović editor, Praktikum laboratorijskih vežbanja iz projektovanja i testiranja elektronskih kola i sistema, Elektronski fakultet Niš, 2000. J. Keown, PSpice and Circuit Analysis, Macmillan Publishing Company, New York, NY, 1994. MicroSim PSpice & Basics+ – Circuit Analysis Software, User’s Guide, Version 8.0, MicroSim Corporation, Irvine, CA, 1997.

II DEO Praktikum

Spisak vežbi CMOS logička kola TTL logička kola ECL logička kola Impulsna kola realizovana naponskim komparatorima Generatori linearne vremenske baze Integrisani tajmer 555

VEŽBA 1

CMOS LOGIČKA KOLA

39

Vežba 1 CMOS logička kola Teorijski uvod Regenerativni komparatori su bistabilna kola sa pozitivnom povratnom spregom, kod kojih se promena stanja odvija zbog promene nivoa napona na ulazu kola. Postojanje pozitivne povratne sprege obezbeđuje da referentni nivoi za rastuću i opadajuću promenu ulaznog napona nisu isti. Uobičajeno je da se regenerativni komparatori zovu Šmitova kola po autoru prvog regenerativnog komparatora. Šema regenerativnog komparatora realizovanog pomoću CMOS invertora data je na Slici 1.1.

Slika 1.1 Regenerativni komparator realizovan pomoču CMOS kola

S obzirom da se radi o realizaciji sa CMOS kolima, smatraćemo da je VIL = VIH = VT = Vdd/2, VOH = Vdd i VOL = 0V. Napon na ulazu prvog invertora dat je izrazom

VX =

R2 R1 U ul + U iz R1 + R2 R1 + R2

(1.1)

odakle se za ulazni napon dobija

⎛ R ⎞ R U ul = ⎜⎜1 + 1 ⎟⎟V X − 1 U iz R2 ⎝ R2 ⎠

(1.2)

Prvi prag okidanja nastupa kada je na izlazu napon VOH, a napon na ulazu invertora VX opadne do nivoa VT, kada invertori ulaze u prelaznu zonu, na osnovu čega se dobija vrednost napona prvog praga

⎛ R ⎞V VT 1 = ⎜⎜1 − 1 ⎟⎟ dd ⎝ R2 ⎠ 2

(1.3)

Gornji prag okidanja se dobija kada je izlazni napon na nivou logičke nule VOL, a napon na ulazu prvog invertora VX poraste do vrednosti VIL, odakle se dobija

⎛ R ⎞V VT 1 = ⎜⎜1 + 1 ⎟⎟ dd ⎝ R2 ⎠ 2

(1.4)

40

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

Na osnovu ovoga širina histerezisa i centar histerezisa iznose

VH = VT 2 − VT 1 = VCH =

R1 Vdd R2

VT 1 + VT 2 Vdd = 2 2

(1.5) (1.6)

Šmitovo kolo sa MOS tranzistorima može se realizovati na isti način kao i sa bipolarnim tranzistorima, ali bi karakteristike kola bila nešto lošije. CMOS tehnologija omogućila je sasvim novi pristup rešavanju ovog problema zahvaljujući različitom polaritetu pragova provođenja NMOS i PMOS tranzistora, kao i mogućnosti zamene otpornika tranzistorima. Osnovna šema CMOS Šmitovog kola 74C14 data je na slici 5.2.

Slika 1.2 Šmitovo kolo u CMOS tehnici i njegova prenosna karakteristika

Osnovu Šmitovog kola čine PMOS tranzistori T1, T2 i T3 i NMOS tranzistori T4, T5 i T6. Tranzistori T7 i T8, odnosno T11 i T12 čine dva CMOS invertora koji povećavaju strujni kapacitet izlaza. CMOS invertor realizovan pomoću tranzistora T9 i T10 ostvaruje pozitivnu povratnu spregu radi ubrzanja promene napona VX. Napajanje se kreće u granicama od 3 do 15 V a upotrebljeni tranzistori imaju prekidne napone VTN= 2V i VTP = -2V. Posmatrajmo kolo za Vdd=5 V. Ako je napon na ulazu Uul=0 V, tranzistori T4 i T5 ne vode, zbog čega je struja taranzistora T1 i T2 izuzetno mala (jednaka struji curenja), pa je Ux = Uy = Vdd = 5V. U narednim invertorima vode T8 i T11 i održavaju visok izlazni napon Uiz = VOH =5V. T3 je zakočen, a T6 je na granici vođenja, zbog čega je Uz = Ux – VTN = 5V. Kada ulazni napon raste prva promena se dešava kad dostigne 2V, jer provede T5. Provodni tranzistori T5 i T6 formiraju NMOS invertor koji ima naponsko pojačanje -2, s obzirom na njihove geometrijske karakteristike. Zato promena ulaznog napona ∆Uul izaziva promenu napona Uz za -2∆Uul. Pri ulaznom naponu Uul = 3V (∆Uul =1V) napon Uz opadne na 1V kada se uključuje i tranzistor T4. Zbog provodnih tranzistora T4 i T5 napon Ux naglo pada na 0V zbog čega se zakoči T6. U narednim invertorima sada vode tranzistori T7 i T12 zbog čega je izlazni napon nizak tj. Uiz = VOL = 0V. Sada je tranzistor T3 stigao na granicu provođenja zbog čega je Uy = Ux - VTP = 2V pa tranzistori T1 i T2 ne mogu da vode. Na osnovu ovoga smo odredili gornji prag okidanja CMOS Šmitovog kola koji iznosi 3V. Donji prag odredićemo pri smanjivanju ulaznog napona od 5V do nule. Tranzistor T1 provede za Uul = 3V, posle čega sa tranzistorom T3 formira invertor sa pojačanjem -2. Pri ulaznom naponu Uul = 2V (∆Uul = 1V), Uy iznosi 4V i počinje da provodi tranzistor T2. Sa uključenim tranzistorima T1 i T2 napon Ux brzo raste na 5V, zbog čega se zakoči tranzistor T3. Istovremeno se T6 dovodi na granicu

VEŽBA 1

CMOS LOGIČKA KOLA

41

provođenja, a tranzistori T4 i T5 postaju neprovodni. U narednim invertorima sada vode T8 i T11, pa izlazni napon raste na Uiz = VOH = 5V. Na osnovu ovoga vidimo da je donji prag Šmitovog kola 2V. Zbog uprošćene analize sračunati pragovi se malo razlikuju od tipičnih vrednosti za kolo 74C14 koji iznose VT1 = 1.4V i VT2 = 3.6V. Opisano Šmitovo kolo može biti iskorišćeno za realizaciju astabilnog multivibratora kako je pokazano na Slici 1.3. Kada je na izlazu Šmitovog kola visok napon VOH = 5V, kondenzator se puni sve dok se ne dostigne gornji prag VT2. Tada se menja izlazni napon kola, koji sada postaje VOL = 0V, zbog čega se kondenzator prazni preko otpornika R i izlaza logičkog kola sve dok se ne spusti na vrednost donjeg praga VT1. Za periodu oscilacija ovog kola lako se dobija izraz

⎛ V − VT 1 V − VT 2 ⎞ ⎟ T = RC ⎜⎜ ln OH + ln OL VOL − VT 1 ⎟⎠ ⎝ VOH − VT 2

(1.7)

Slika 1.3 Astabilni multivibrator realizovan pomoću Šmitovog kola

Monostabilni multivibrator je impulsno regenerativno kolo sa pozitivnom povratnom spregom koje poseduje jedno stabilno stanje. Kolo ostaje u stabilnom stanju sve dok, usled spoljašnje pobude, ne pređe u drugo, kvazistabilno stanje, čije je trajanje određeno parametrima kola i iza čega se kolo samo vraća u stabilno stanje. Tipična primena ovih kola je za generisanje impulsa definisanog trajanja. Na Slici 1.4a prikazan je monostabilni multivibrator realizovan pomoću CMOS NILI logičkih kola sa zaštitnim diodama na ulazu. Zaštitne diode u normalnom režimu rada logičkih kola nikad ne provode. Međutim, kada se logička kola koriste za realizaciju impulsnih generatora imaju bitnu ulogu pri definisanju trajanja generisanih impulsa.

Slika 1.4a Monostabilni multivibrator

Slika 1.4b Prenosna karakteristika

Smatraćemo da je karakteristika prenosa CMOS NILI kola idealna, kako je dato na Slici 1.4b, sa naponom prelaza VT = Vdd/2.

42

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

U stabilnom stanju, pre dovođenja okidnog impulsa, napon u tački B iznosi VB = Vdd, jer kroz otpornik R ne teče struja. Zato je Uiz = V(0) = 0V, VA = V(1) = Vdd, a napon na kondenzatoru Uk = 0V. Dovođenje okidnog impulsa izaziva nagli pad napona na izlazu prvog NILI kola, VA = 0V. Napon na kondenzatoru ne može da se promeni naglo, zbog čega je VB = VA + Uk, tako da je sada na izlazu drugog NILI kola Uiz = Vdd. Kroz izlaz prvog logičkog kola i otpornik R teče struja koja puni kondenzator. Ovo stanje traje sve dok se napon UB ponaša kao napon logičke nule na ulazu drugog NILI kola, tj. dok je UB < VT. Napon tačke B menja se eksponencijalno sa vremenom i dat je izrazom

[

]

U B = U B (∞ ) − U B (∞ ) − U B (0 + ) e − t / τ

(1.8)

gde je UB(∞) = Vdd, UB(0+) = 0V, τ = C(R + Riz). Riz predstavlja malu izlaznu otpornost NILI kola. Kvazistabilno stanje se završava u trenutku t = T1, kada napon UB dostigne napon prelaza VT, odakle se iz izraza (1.8) dobija

T1 = τ ln

Vdd ≈ 0.69 RC Vdd − VT

(1.9)

kada napon Uiz pada na nulu, zbog čega VA skače na Vdd. Kako se napon na kondenzatoru ne može promeniti trenutno, sada bi napon tačke B trebalo da ima vrednost UB = UA + Uk = VT + Vdd. Zbog ugrađenih zaštitinih dioda na ulazu NILI kola napon tačke B ne može da premaši napon napajanja, već dolazi do naglog pražnjenja kondenzatora kroz zaštitnu diodu i izvor za napajanje. Tako napon na kondenzatoru naglo opada za vrednost VT, jer se pražnjenje odvija sa vremenskom konstantom τ = C(Rd + Riz), gde je sa Rd obeležena mala otpornost provodne zaštitne diode. Vremenski dijagrami napona u svim tačkama kola sa Slike 1.4 dati su na Slici 1.5.

Slika 1.5 Vremenski dijagrami kola sa Slike 1.4

Iz izraza (1.9) vidimo da je trajanje izlaznog impulsa odreeno vrednostima kondenzatora, otpornika i napona prelaza VT karakteristike prenosa logičkog NILI kola. Tačnost trajanja generisanog impulsa malo zavisi od vrednosti otpornika i kondenzatora, jer njihove proizvodne tolerancije mogu biti male, a temperaturni koeficijenti se mogu izabrati tako da τ ne zavisi od temperature. Suprotno tome proizvodne tolerancije napona prelaza VT su velike, zbog čega on najviše utiče na tačnost generisanog impulsa. Okidni impuls mora da zadovolji neke uslove da bi monostabilni multivibrator ispravno funkcionisao. Amplituda okidnog impulsa mora da bude veća od VT da bi uspeo da izazove promenu u kolu. Trajanje ulaznog impulsa takođe je ograničeno. Maksimalno trajanje ulaznog

VEŽBA 1

CMOS LOGIČKA KOLA

43

impulsa mora biti manje od trajanja kvazistabilnog stanja. Analizom kola sa Slike 1.4 vidimo da minimalno trajanje okidnog impulsa mora biti veće od vremena kašnjenja dva logička kola. Ukoliko se izvrši modifikacija opisanog monostabilnog kola, kako je pokazano na Slici 1.6, smanjuje se uticaj proizvodnih tolerancija napona prelaza VT na trajanje kvazistabilnog stanja T1.

Slika 1.6 Monostabilni multivibrator

Kao i u kolu sa Slike 1.4 u prvom delu generisanja izlaznog impulsa kondenzator se puni preko izlaza prvog logičkog kola i otpornika R tako da raste napon tačke B. I sada je za dostizanje napona VT neophodno vreme T1 dato izrazom (1.9). Novina je, međutim, da se sada na izlazu prvog NILI kola ne završava generisanje impulsa. Zbog promene napona na izlazu drugog NILI kola zakoči se dioda D i počinje pražnjenje kondenzatora C na ulazu prvog NILI kola. Stanje u kolu se najzad menja kada napon na tom kondenzatoru opadne od početne vrednosti Vdd – Vd na VT, za šta je neophodno da protekne vreme T2. Dakle ukupno trajanje impulsa na izlazu prvog NILI kola dato je izrazom

⎡ Vdd V − Vd ⎤ Vdd − Vd + ln dd ≈ 1.37 RC T = T1 + T2 = τ ⎢ln ⎥ ≈ τ ln 4 VT ⎦ Vdd ⎣ Vdd − VT

(1.10)

Delimična kompenzacija uticaja tolerancija napona prelaza VT na trajanje kvazistabilnog stanja popstignuta je zahvaljujući tome što se naponi prelaza logičkih kola na istoj silicijumskoj pločici malo razlikuju jedan od drugog, a uticaj promena napona VT na trajanje intervala T1 i T2 je suprotan, kako se vidi iz izraza (1.10). Monostabilni multivibrator sa CMOS NILI kolima, sa Slike 1.4, lako se pretvara u astabilni multivibrator vezivanjem otpornika R na izlaz drugog NILI kola umesto na izvor za napajanje (R1 = 0). Astabilni multivibrator je dat na Slici 1.7, a talasni oblici napona u karakterističnim tačkama na Slici 1.8.

44

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

Slika 1.7 Astabilni multivibrator

Slika 5.8 Vremenski dijagrami za kolo sa Slike 1.7 -

Neka je u trenutku t = 0 napon VA < VT. Tada je VC = Vdd, a VD = 0 zbog čega se kondenzator puni, a napon tačke A raste ka Vdd dok ne dostigne vrednost VT. U ovom trenutku napon na kondenzatoru iznosi Uk = VT. Ovo izaziva regenerativni proces po čijem se završetku u trenutku t = 0+ stanje na izlazima logičkih kola menja, pa je sada VC = 0V, a VD = Vdd. Napon tačke A treba da iznosi VA = VD + Uk = Vdd + VT, što je iznad napona napajanja. Zato provede zaštita dioda preko koje se kondenzator brzo prazni, a napon tačke A biva ograničen na vrednost VA(0++) = Vdd + Vd ≈ Vdd. Sada se kondenzator prazni, a napon tačke A opada ka nuli dok ne dostigne vrednost VT, kada u kolu opet nastupa regenerativni proces. Trajanje ovog kvazistabilnog stanja je dato izrazom T1 = RC ln

V A (∞ ) − V A (0 + ) −

V A (∞) − V A (T1 )

= RC ln

Vdd VT

(1.11)

Na kraju ovog kvazistabilnog stanja napon na kondenzatoru je Uk(T1-) = -VT. Dolazi do promene stanja na izlazima logičkih kola, tako da je sada UC = Vdd, a UD = 0V. Kako je UA = UD + Uk = -VT, provede druga zaštitna dioda i ograničava pad napona u tački A na VA(T1++) = -Vd ≈ 0V. Sada se kondenzator puni, a napon tačke A raste ka Vdd, dok ne dostigne vrednost VT, odakle odreujemo trajanje drugog kvazistabilnog stanja.

VEŽBA 1

CMOS LOGIČKA KOLA +

T1 = RC ln

V A (∞) − V A (T1 ) −

V A (∞) − V A (T2 )

= RC ln

45

Vdd Vdd − VT

(1.12)

Slično kao kod monostabilnog kola, period oscilovanja astabilnog kola malo zavisi od temperature, ali puno zavisi od proizvodnih tolerancija napona prelaza prenosne karakteristike VT. Nešto bolje karakteristike, u pogledu uticaja varijacija napona prelaza na period oscilovanja, se dobijaju ako se između tačaka A i B ubaci otpornik R1 velike vrednosti. Na ovaj način sprečen je uticaj zaštitinih dioda na ulazu NILI kola. Talasni oblik napona UA sa slike 1.8 sada odgovara naponu u tački B. Brzo pražnjenje kondenzatora kroz zaštitne diode sprečeno je otpornikom R1, zbog čega sada kvazistabilna stanja traju nešto duže nego za slučaj R1 = 0. Trajanje kvazistabilnog stanja iznosi

⎡V + VT 2Vdd − VT ⋅ T = T1 + T2 = RC ln ⎢ dd V Vdd − VT T ⎣

⎤ ⎥ ≈ 2.2 RC ⎦

(1.13)

gde je uzeto da je R || R1 ≈ R. Na disipaciju CMOS kola utiču struja curenja, kapacitivnost opterećenja, interne kapacitivnosti i prelazna stanja. Statička disipacija CMOS kola je reda µW i proizvod je napona napajanja Vdd i struje curenja. Ostala tri uzroka disipacije su mnogo važnija i javljaju se samo prilikom promene logičkih stanja i predstavljaju dinamičku disipaciju kola. Energija koja se predaje kondenzatoru u toku jedne poluperiode, a potom disipira na tranzistoru, za clučaj invertora opterećenog kapacitivnim opterećenjem Cp, iznosi CpVdd2/2

(1.14)

Tako srednja disipacija CMOS invertora iznosi Pd = f Vdd2Cp

(1.15)

Postojanje parazitnih kapacitivnosti takoe izaziva potrošnju energije pri promeni stanja koja se može opisati istim izrazom, gde Cp treba zameniti parazitnim kapacitetom Ct. Najteže je opisati uticaj četvrtog uzroka disipacije CMOS kola. Kada CMOS kolo prelazi iz jednog stanja u drugo, zbog neidealne karakteristike prenosa, radna tačka prolazi kroz oblast u kojoj su oba tranzistora provodna. Disipacija CMOS kola usled prelaznog režima približno je data izrazom Pd = f(Vdd – 2VT)IDDmax(tLH + tHL)/2

(1.16)

gde je sa IDDmax data maksimalna nekapacitivna struja tokom promene stanja. Primećujemo da sva tri izraza za dinamičku disipaciju pokazuju linearnu zavisnost od frekvencije f, zbog čega je u praksi uobičajeno da se dinamička disipacija daje izrazom Pd = f(Cp + CpD)Vdd2

(1.17)

gde je CpD ekvivalentna kapacitivnost kojom se aproksimiraju teško merljivi uticaji disipacije usled parazitnih kapacitivnosti i promene stanja. Ova kapacitivnost se određuje eksperimentalno merenjem disipacije kola bez opterećenja, a tipične vrednosti su reda 10 - 30 pF zavisno od složenosti i karakteristika CMOS kola. Tipična vrednost proizvoda snage i kašnjenja CMOS kola (PDP) niskog stepena integracije je oko 10 pJ. Kod složenih logičkih mreža samo mali broj logičkih kola menja stanje u jednom taktnom ciklusu. Uzimajući ovu činjenicu u obzir zaključujemo da CMOS kola visokog stepena integracije imaju znatno manju prosečnu disipaciju po logičkom kolu. Tako kod CMOS kola u VLSI tehnici parametar PDP može biti manji od 1 pJ čak i na frekvencijama od nekoliko desetina MHz.

VEŽBA 1

CMOS LOGIČKA KOLA

47

Uputstvo za rad I Simulacija kola pomoću PSPICE-a

1

REALIZACIJA REGENERATIVNOG KOMPARATORA POMOĆU INVERTORA

1.1 U programu Schematics otvoriti fajl sa električnom šemom CMOS invertora, invertor.sch, koji se nalazi u direktorijumu C:\msim\dik_lab\v1_cmos (C:\msim\dik_lab\v1_cmos\invertor.sch). Postaviti parametre simulacije u vremenskom domenu (Analysis -> Setup > Transient...).

1.3 U programu Probe snimiti prenosnu karakteristiku ovog kola. Posmatrati izlazni napon (Trace -> Add..., odabrati V(Viz)), a za X osu postaviti promenljivu V(Vul). Dobijenu prenosnu karakteristiku nacrtati na predviđenom mestu u praktikumu i ubeležiti sve karakteristične vrednosti.

Parametri simulacije su: Print Step = 1us Final Time = 40ms 1.2 Iz programa Schematics pokrenuti simulaciju (Analysis->Run PSpice ili F11). Po završetku simulacije automatski se pokreće program Probe.

1.4 Otvoriti fajl sa električnom šemom regenerativnog komparatora realizovanog pomoću CMOS kola, regkomp.sch, iz direktorijuma C:\msim\dik_lab\v1_cmos\. Postaviti parametre kola i parametre simulacije u vremenskom domenu (Analysis -> Setup -> Transient...). Parametri kola su: R2 = 100K Parametri simulacije su: Print Step = 1us Final Time = 40ms 1.5 Iz programa simulaciju u (PSpice).

Schematics pokretnuti vremenskom domenu

1.6 U programu Probe snimiti prenosnu karakteristiku ovog kola i odrediti histerezis. Posmatrati izlazni napon

V(Viz), a za X osu postaviti promenljivu V(Vul). Dobijenu prenosnu karakteristiku nacrtati na predviđenom mestu u praktikumu i ubeležiti sve karakteristične vrednosti. VH = _____________________

48

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

1.7 Izmeniti vrednost otpornika R2 na 220K, pokrenuti ponovo simulaciju. Kako vrednost otpornika R2 utiče na histerezis?

1.8 Otvoriti fajl sa električnom šemom astabilnog multivibratora realizovanog pomoću CMOS kola, rk_amvb.sch, iz direktorijuma C:\msim\dik_lab\v1_cmos\. Primetiti da je ovaj astabilni multivibrator realizovan modifikacijom regenerativnog komparatora iz prethodne tačke. Postaviti parametre kola i parametre simulacije u vremenskom domenu. Parametri kola su: R1 = 27K, R2 = 100K, R3 = 10K Parametri simulacije su: Print Step = 20ns Final Time = 100us 1.9 Pokrenuti simulaciju u vremenskom domenu (PSpice) i snimiti talasne oblike napona (Probe) na kondenzatoru C (napon V(C)) i u tački A (napon V(A)).

1.10 Izmeniti vrednost otpornika R3 na 33K i pokrenuti ponovo simulaciju.Uočiti uticaj vrednosti otpronika R3 na trajanje kvazistabilnih stanja. Objasniti pojavu.

2

MONOSTABILNI MULTIVIBRATOR U CMOS TEHNICI

2.1 Otvoriti fajl sa električnom šemom monostabilnog multivibratora realizovanog pomoću CMOS NILI kola, mstab_mv.sch, iz direktorijuma C:\msim\dik_lab\v1_cmos\. Postaviti parametre kola i parametre simulacije u vremenskom domenu. Patrametri kola su: R1 = R2 = 33K, C1 = C2 = 1nF, Vcc = 5V (generator V1) Parametri generatora impulsa (V2) v1 = 0V, v2 = 5V, td = 2us, pw = 2us, per = 60us Parametri simulacije su: Print Step = 20ns Final Time = 300us

VEŽBA 1

CMOS LOGIČKA KOLA

49

2.2 Pokrenuti simulaciju u vremenskom domenu i snimiti talasne oblike napona u tačkama A, B, C i D (U programu Probe posmatrati napone V(Trigger), V(A), V(B) V(C), V(D)).

2.3 Osnovno kolo monostabilnog multivibratora ne sadrži R2, C2 i diodu D. Šta je postignuto njihovim ubacivanjem.

2.4 Povećati frekvenciju okidnih impulsa impulsnog generatora V2 (per=20us). Pokrenuti ponovo simulaciju. i uočiti da se kolo uspešno okida tek svakim drugim okidnim impulsom (u programu Probe posmatrati napone V(Trigger) i V(C)).

3

ŠMITOVO KOLO U CMOS TEHNICI

3.1 Otvoriti fajl sa električnom šemom Šmitovog CMOS kola, schtrig.sch, iz direktorijuma C:\msim\dik_lab\v1_cmos\. Postaviti parametre simulacije u vremenskom domenu. Parametri simulacije su: Print Step = 1us Final Time = 40ms

50

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

3.2 Pokretnuti simulaciju u vremenskom domenu (PSpice) i snimiti prenosnu karakteristiku Šmitovog kola (Probe). Dobijenu prenosnu karakteristiku nacrtati na predviđenom mestu u praktikumu i ubeležiti sve karakteristične vrednosti. Koliki su pragovi okidanja i histerezis ovog Šmitovog kola? VT1 = _________

VT2 = _________

VH = _________ 3.3 Otvoriti fajl sa električnom šemom astabilnog multivibratora realizovanog pomoću Šmitovog CMOS invertora, sch_amvb.sch, iz direktorijuma C:\msim\dik_lab\v1_cmos\. Parametri kola su: R1 = 33K, C1 = 1nF Parametri simulacije su: Print Step = 20ns Final Time = 100us 3.4 Pokretnuti simulaciju u vremenskom domenu (PSpice) i snimiti talasne oblike na kondenzatoru i na izlazu Šmitovog kola (u programu Probe posmatrati napone V(C) i V(Viz)).

3.5 Izmeniti vrednost otpornika R1 na 100K, pokrenuti ponovo simulaciju. Kakav je uticaj otpornika na trajanje kvazistabilnih stanja i zašto?

4

DISIPACIJA CMOS KOLA

4.1 Otvoriti fajl sa električnom šemom CMOS invertora, cmosdis.sch, iz direktorijuma C:\msim\dik_lab\v1_cmos\. Postaviti parametre kola i parametre simulacije. Parametri generatora impulsa su: v1 = 0V, v2 = 5V, td = 1us, tr = 100ns, tf = 100ns, pw = 2ms, per = 4ms Parametri simulacije su: Print Step = 1us Final Time = 20ms

VEŽBA 1

CMOS LOGIČKA KOLA

51

4.2 Pokretnuti simulaciju u vremenskom domenu (PSpice) i snimiti prenosnu talasne oblike napona na izlazu kola V(Viz) i struje napajanja kola I(V1). Uočiti da je struja napajanja (disipacija) maksimalna pri prelazu kola iz jednog u drugo logičko stanje.

4.3 Napisati izraz za dinamičku disipaciju CMOS logičkog kola. Objasniti parametre u izrazu.

5

ASTABILNI MULTIVIBRATOR U CMOS TEHNICI

5.1 Otvoriti fajl sa električnom šemom astabilnog multivibtratora realizovanog u CMOS tehnici, astab_mv.sch, iz direktorijuma C:\msim\dik_lab\v1_cmos\. Postaviti parametre kola i parametre simulacije. Parametri kola: R1 = 270K, R2 = 33K, C1 = 10n, Vdd = 5V. Parametri simulacije su: Print Step = 1us Final Time = 20ms 5.2 Pokrenuti simulaciju u vremenskom domenu (PSpice) i snimiti talasne oblike napona u tačkama A, B, C i D (U programu Probe posmatrati napone V(A), V(B) V(C), V(D)). 5.3 Izvesti izraze za trajanje kvazistabilnih perioda i rezultate uporediti sa merenim. T1 = T2 =

52

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

VEŽBA 1

CMOS LOGIČKA KOLA

53

II Snimanje talasnih oblika pomoću osciloskopa

6

REALIZACIJA REGENERATIVNOG KOMPARATORA POMOĆU INVERTORA

6.1 Dovodeći na ulaz logičkog kola sa slike 1a prostoperiodičan napon frekvencije 1KHz, snimiti pomoću osciloskopa prenosnu karakteristiku CMOS invertora (74HC04).

6.2 Sačiniti regenerativni komparator prema šemi sa slike 1b. Na ulaz regenerativnog komparatora dovoditi prostoperiodičan napon frekvencije 1KHz. Snimiti pomoću osciloskopa prenosnu karakteristiku kola i odrediti histerezis. VH = _____________________

Slika 1a

Slika1b

6.3 Šta se dešava sa prenosnom karakteristikom kola povezivanjem otpornika R3 na napajanje (Vcc), odnosno na nulti potencijal.

6.4 Modifikacijom regenerativnog komparatora sa slike 1b realizovati astabilni multivibrator dat na slici 2.

54

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

Slika 2 6.5 Snimiti talasne oblike napona na kondenzatoru C i u tački A.

7

MONOSTABILNI MULTIVIBRATOR U CMOS TEHNICI

7.1 Na ulaz monostabilnog multivibratora sa slike 3, realizovanog pomoću CMOS NILI kola (74HC02), dovoditi okidne impulse minimalnog trajanja Ti, periode T=60µs, i snimiti talasne oblike napona u tačkama A, B, C i D.

Slika 3

VEŽBA 1

8

CMOS LOGIČKA KOLA

55

ŠMITOVO KOLO U CMOS TEHNICI

8.1 Odrediti pragove okidanja i nacrtati prenosnu karakteristiku Šmitivog CMOS kola (74HC14) sa slike 4 dovodeći na ulaz kola prostoperiodičan napon frekvencije 1KHz.

Slika 4

8.2 Korišćenjem ovog kola realizovati astabilni multivibrator i snimiti napone na kondenzatoru i izlazu kola.

56

9

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

DISIPACIJA CMOS KOLA

9.1 Šest CMOS invertora (74HC04) vezano je paralelno kao na slici 5. Na ulaz kola dovoditi pravougaone impulse periode T=4ms. Osciloskopom snimiti napon na otporniku R koji stvara struja napajanja kola. Uočiti da je struja napajanja (disipacija) maksimalna pri prelazu kola iz jednog u drugo logičko stanje.

Slika 5

10 ASTABILNI MULTIVIBRATOR U CMOS TEHNICI 10.1 Na slici 6 prikazan je astabilni multivibrator realizovan pomoću CMOS NILI kola. Snimiti talasne oblike napona u tačkama A, B, C i D.

VEŽBA 1

CMOS LOGIČKA KOLA

57

Slika 6

10.2 Kratkospojiti otpornik R1 i uočiti promenu u dužini trajanja kvazistabilnih stanja. Koja je uloga otpornika R1.

Student:

Overio:

Datum:

Ocena:

VEŽBA 3

TTL LOGIČKA KOLA

59

Vežba 2 TTL logička kola Teorijski uvod U digitalnoj elektronici se često javlja problem vezivanja izlaza većeg broja logičkih kola na zajedničku liniju. Zbog konstrukcije samog izlaznog stepena u TTL tehnici javljaju se ozbiljni problemi.

Slika 2.1 Standardno TTL NI kolo sa dva ulaza

Neka su izlazi dva standardna TTL kola sa slike 2.1 kratkospojeni tako što su vezani na zajedničku liniju. Ako su ulazi jednog kola takvi da obezbeđuju logičku jedinicu na njegovom izlazu, a ulazi drugog kola dovode odgovarajući izlaz na nivo logičke nule, nastupa konfliktna situacija. Kroz tranzistor T4 sa izlaza jednog kola u provodni tranzistor T3 na izlazu drugog logičkog kola tekla bi velika struja koja je ograničena samo otpornikom R4. U ovom slučaju izlazni napon bi bio neodređen uz mogućnost prekoračenja dozvoljene disipacije kola. Ovaj se problem rešava na dva načina, TTL kolima sa otvorenim kolektorom ili trostatičkim TTL kolima.

Slika 2.2 Trostatički neinvertorski bafer

60

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

Izlazni stepen trostatičkog TTL kola sličan je standardnom TTL izlazu uz mogućnost dovođenja u stanje visoke impedanse na taj način što se svi izlazni tranzistori zakoče. Trostatički izlaz se najčešće sreće kod baferskih kola invertorskog i neinvertorskog tipa, kao i kod složenijih digitalnih kola kao što su flipflopovi, registri, multiplekseri, memorije... Trostatička kola se koriste u slučaju kada od više paralelno vezanih kola samo jedno u određenom vremenskom intervalu treba da bude aktivno. Na slici 2.2 prikazana je struktura trostatičkog neinvertorskog bafera. Na kontrolni ulaz E dovodi se signal dozvole (Enable), što je ulaz invertorskog kola, na slici 2.2 uokviren isprekidanom linijom. Kada je na kontrolnom ulazu E = V(0), na izlazu invertora je Y1 = V(1), zbog čega dioda D2 ne može da vodi i kontrolno invertorsko kolo ne utiče na bafersku funkciju kola, tako da je Y = A. Za VA = V(0) tranzistori T6 i T7 ne vode, zbog čega vode tranzistori T9 i T10, direktno polarisani preko kolektorskog spoja tranzistora T8. Za VA = V(1) provedu T6 i T7. Zbog niskog napona na bazi tranzistori T9 i T10 ne mogu da vode, tako da logičku jedinicu na izlazu definišu provodni tranzistori T11 i T12.

Slika 2.3 Dvoulazno TTL NI kolo sa otvorenim kolektorom

Ako se na kontrolni ulaz dovede visok napon, E = V(1), na izlazu invertorskog stepena je logička nula Y1 = V(0). Sada provede dioda D2, te zbog niskog napona na bazama tranzistora T11 i T9 zakočena su oba izlazna tranzistora T10 i T12, odnosno izlaz se nalazi u stanju visoke impedanse. Ovo je bolje rešenje od kola sa otvorenim kolektorom sa gledišta dinamičkih karakteristika, pošto se kapacitivnosti na zajedničkoj liniji brže pune zbog male izlazne otpornosti u stanju logičke jedinice. Za kolo sa slike 2.2 vreme potrebno za dovoenje izlaza u stanje visoke impedanse iznosi 11 ns, dok je za izvođenje iz stanja visoke impedanse potrebno 16 ns. Brže kočenje od uključivanja izlaznog stepena je pogodna osobina ovog kola.

Slika 2.4 Invertorski TTL bafer sa otvorenim kolektorom

Na osnovu NI TTL kola sa slike 2.1 lako se dobija kolo sa otvorenim kolektorom uklanjanjem sa šeme tranzistora T4, diode D i otpornika R4. Izlaz se i dalje uzima na kolektoru tranzistora T3, ali se

VEŽBA 3

TTL LOGIČKA KOLA

61

sada izlazi više ovakvih kola mogu vezati na zajedničku liniju. Između kolektora povezanih tranzistora i spoljnog izvora za napajanje Vcc1 ubacuje se zajednički kolektorski otpornik Rc. Kroz ovaj otpornik tranzistori dobijaju kolektorsku struju kada je na izlazu kola logička nula. Vrednost ove otpornosti ne sme biti previše mala, pošto u tom slučaju raste kolektorska struja tranzistora koji treba da radi u zasićenju, zbog čega opada broj ulaznih priključaka koji smeju biti vezani na liniju. Ova otpornost ne sme biti ni previše velika, jer sa njenim rastom opada nivo logičke jedinice. Osim što omogućavaju paralelno vezivanje više izlaza na istu liniju kola sa otvorenim kolektorom mogu biti iskorišćena za realizaciju "kolektorsko I" funkcije. Naime, za realizaciju funkcije Y = AB ⋅ CD neophodna su dva NI i jedno I logičko kolo. Međutim ako koristimo kola sa otvorenim kolektorom, dovoljna su samo dva NI kola čije izlaze kratkospajamo i preko spoljnog otpornika Rc vezujemo na izvor napajanja. Na izlazu oba kola biće visok napon, Y = V(1), samo kada su zakočena oba tranzistora T3, što odgovara logičkoj “I” funkciji. Posebna vrsta kola sa otvorenim kolektorom su invertorski i neinvertorski baferi ili drajveri.Radi se o kolima koja mogu da prime veću struju od drugih kola iz iste familije tako da imaju povećani faktor grananja. Kao što se sa slike 2.4 vidi, povećanje maksimalne izlazne struje ostvareno je promenama u pobudnom stepenu izlaznog tranzistora. Nažalost, istovremeno je povećano vreme propagacije koje zavisi i od vrednosti kolektorskog otpornika i može biti veće od vremena propagacije kola sa standardnim TTL izlazom. Kod baferskih kola sa otvorenim kolektorom se izlazni tranzistor obično ne pravi istim postupkom kao ostali tranzistori u kolu, kako bi imao veći probojni napon između kolektora i emitora. Ovaj probojni napon može da iznosi do 30V, što omogućava kolima sa otvorenim kolektorom sprezanje sa drugim familijama logičkih kola i uređajima koji rade sa većim naponom napajanja. Za realizaciju Šmitovog kola u bipolarnoj tehnici dovoljna su dva NPN tranzistora sa spregnutim emitorima. Osnovna šema Šmitovog kola data je na slici 2.5.

Slika 2.5 Šmitovo kolo sa emitorskom spregom

Kada je napon na ulazu kola dovoljno nizak tranzistor T1 ne vodi. Zbog visokog napona na njegovom kolektoru vodiće tranzistor T2. Otpornici u kolu imaju takve vrednosti da T2 radi u zasićenju i izlazni napon je nizak. Ukoliko ulazni napon raste, stiču se uslovi da tranzistor T1 provede. Kada se to desi zbog pojave kolektorske struje tranzistora T1 opada napon na bazi drugog tranzistora što izaziva pad emitorske struje drugog tranzistora, odnosno napon na otporniku Re opada. Kao što vidimo u kolu je prisutna pozitivna povratna sprega zbog koje raste napon na emitorskom spoju tranzistora T1, tj. struja ovog tranzistora, uz istovremeni pad napona na bazi drugog tranzistora, zbog čega posle kumulativnog procesa T2 odlazi u zakočenje. Tada je izlazni napon visok i jednak je naponu napajanja. Dalji rast ulaznog napona ne utiče na uspostavljeno stanje u kolu. Da bi došlo do promene izlaznog napona neophodno je da ulazni napon počne da opada. Opadanje

62

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

ulaznog napona izaziva smanjivanje kolektorske struje tranzistora T1, a rast napona UCE1, što je ujedno napon izmeu baze i emitora T2. Kada ovaj napon dostigne prag provođenja, zbog uključivanja tranzistora T2, zatvara se pozitivna povratna sprega. Kumulativni proces vraća kolo u prvo stabilno stanje. Prenosna karakteristika poseduje histerezis i neinveretorskog je tipa. Gornji prag okidanja VT2 odgovara ulaznom naponu pri kome se uključuje tranzistor T1. S obzirom da T2 radi u zasićenju, važi Vcc − R1 I b 2 − Vbes − Re [I b 2 + I c 2 ] = 0

(2.1)

Vcc − R2 I c 2 − Vces − Re [I b 2 + I c 2 ] = 0

(2.2)

Rešavanjem ovih jednačina za napon na emitorima tranzistora se dobija

Vcc − Vbes Vcc − Vces + R1 R2 Ve = 1 1 1 + + Re R1 R2

(2.3)

Za gornji prag okidanja kola se dobija VT2 = Ve + Vγ, dok je izlazni napon Uiz = Ve + Vces. Donji prag okidanja VT1 odgovara ulaznom naponu pri kome tranzistor T2 počinje da provodi. Tada je napon između kolektora i emitora prvog tranzistora Uce1 = Vγ > Vces, tako da je on u aktivnom režimu. Emitorska struja tranzistora T1 je

I e1 =

U ul − Vbe Re

(2.4)

odakle se za napon izmeu kolektora i emitora dobija

⎡ βR1 ⎤ Vce1 = Vcc − R1 I c1 − Re I e1 = Vcc − [U ul − Vbe ]⎢ + 1⎥ ⎣ (1 + β ) Re ⎦

(2.5)

odnosno donji prag iznosi VT 1 =

Vcc − Vγ + Vbe β R1 1+ (1 + β ) Re

(2.6)

Šmitov komparator može biti korišćen za konverziju sinusnog ili trougaonog napona u pravougaoni talasni oblik. Sličnu primenu ima i u digitalnoj tehnici. Kod brzih digitalnih kola dolazi do prelaznih pojava na vezama, što je posledica postojanja parazitnih kapacitivnosti i induktivnosti. Ovo izaziva izobličenje signala čije se uobličavanje izvodi uz pomoć Šmitovog kola na čijem se izlazu generiše pravougaoni impuls. Šmitovo kolo sa slike 2.5 nema kompatibilne ulazne i izlazne naponske nivoe sa logičkim kolima. Da bi se ovaj problem prevazišao Šmitovom kolu se dodaje ulazni TTL stepen sa višeemitorskim tranzistorom ili sa diodama, a na izlazu standardni TTL izlazni stepen. Šmitovo kolo dobijeno na ovaj način dato je na Slici 2.6. Iza standardnog Šmitovog kola (T1 i T2) sledi pomerač nivoa (T3 i D1, pri čemu neki proizvođači ugrađuju Darlingtonov par kao pomerač nivoa) i standardni TTL izlaz. Histerezis ovakvih kola iznosi tipično 800 mV, zavisi od odnosa otpornika u kolu, i obično ne zavisi od temperature i varijacija napona napajanja.

VEŽBA 3

TTL LOGIČKA KOLA

63

Slika 2.6 Integrisano TTL Šmitovo kolo

Astabilni i monostabilni multivibratori se i u TTL tehnici mogu realizovati na isti način kao i sa CMOS komponentama. Međutim, karakteristike ovakvih kola bi bile nešto slabije, pošto ulazne struje TTL kola nisu zanemarljive kao kod CMOS kola, čime utiču na tačnost i stabilnost generisanih impulsa. S obzirom da digitalni sistemi zahtevaju impulse preciznog trajanja u TTL tehnici je razvijeno više integrisanih monostabilnih multivibratora. Na slici 2.7 prikazana je struktura retrigerabilnog monostabilnog multivibratora 74122 koji se proizvodi u svim TTL familijama.

Slika 6.7 Retrigerabilni monostabilni multivibrator 74122

Na ulazu kola se nalazi uprošćeno NI kolo koga čine tranzistori T1, T2 i T3. T4 i T5 formiraju RS leč kolo na čiji se ulaz dovodi izlaz NI kola. Tranzistori T6 i T7 formiraju monostabilni deo kola čiji se izlaz vodi na Šmitovo kolo (T8 i T9) za uobličavanje signala i standardni TTL izlazni stepen, koji nije prikazan na slici. U stabilnom stanju izlaz NI kola je na logičkoj jedinici tj. tranzistor T3 je zakočen zbog čega ne mogu da vode ni T4 i T5, kao ni dioda D4, dok diode D1 i D2 vode. S obzirom da je R8 + R9 > R10, vodiće tranzistor T6, dok je T7 zakočen. Zbog visokog napona na ulazu, sa prenosne karakteristike Šmitovog kola date na slici 2.4, vidimo da je na izlazu Šmitovog kola visok napon. Da bi kolo prešlo u kvazistabilno stanje potrebno je da se na oba ulaza NI kola dovede logička jedinica. Sada vodi tranzistor T3, koji otvara mogućnost uključivanja T4 i T5. Međutim provodne diode D1 i D2 drže nizak napon na bazi tranzistora T4, zbog čega se uključuje T5, čime je leč kolo resetovano. U kolektor T5, kroz diodu D4, utiče struja otpornika R10, koja je ranije uticala u bazu tranzistora T6, zbog čega se tranzistor T6 zakoči. Monostabilno kolo je ovim ušlo u kvazistabilno stanje. Pad napona na kolektoru tranzistora T7 se prenosi kroz kondenzator na bazu T6 zbog čega on ostaje

64

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

zakočen, iako se istovremeno sa uključivanjem T7 zbiva i setovanje leč kola. Naime, pri kočenju T6, raste napon na njegovom kolektoru što preko diode D3 dovodi do uključivanja tranzistora T4, a zbog ovoga se zakoči tranzistor T5 i dioda D4. Dakle, na izlazu leč kola generisan je vrlo kratak negativni impuls čije je trajanje jednako zbiru vremena potrebnog da se izvrši okidanje monostabilnog kola i vremena potrebnog za setovanje leč kola. Na ovaj način se leč kolo ponaša kao diferencijator opadajuće ivice signala sa izlaza NI kola. Pre okidanja napon na kondenzatoru je Uk(0-) = Vd5 + Vbes6 – Uc7, pri čemu napon na kolektoru T7 zavisi od eksternog otpornika R, kao i otpornika u Šmitovom kolu za koje važi Vcc − RI b8 − Vbes 8 − R12 ( I b8 + I c 8 ) = 0

(2.7)

Vcc − R11 I c 8 − Vces8 − R12 ( I b8 + I c8 ) = 0

Koristeći tipične vrednosti R11 = 7K i R12 = 0.85K, rešavanjem jednačina (2.7), za struju baze tranzistora T8 se dobija I b8 =

3.6694 R + 0.7579

(2.8)

što za napon na kolektoru T7 daje Vc 7 (0 − ) = Vcc − RI b8 =

5 + 1.7556 R 1 + 1.3194 R

(2.9)

Po ulasku u kvazistabilno stanje tranzistor T6 se koči zbog pada napona na njegovoj bazi, a koji sada iznosi Vb 6 = Vd 5 + Vces 7 + U k (0 − ) = 2Vd + Vbes + Vces − Vc 7 (0 − )

(2.10)

Zbog punjenja kondenzatora C kroz otrpornik R10 i kolektor zasićenog tranzistora T7, napon na bazi T6 eksponencijalno raste ka asimptotskom naponu Vcc, sve dok ne bude dovoljan da T6 provede, kada je Vb6(T1) = Vd5 + Vγ, odakle se dobija Vcc + Vc 7 (0 − ) − 2Vd − Vbes − Vces T1 = CR10 ln Vcc − Vγ − Vd

(2.11)

Kada tranzistor T6 provede, tranzistor T7 se zakoči. Međutim, napon na njegovom kolektoru ne može naglo da se promeni zbog kondenzatora C. Njegova početna vrednost je Vc7(T1+) = Vd5 + Vces7 Vbes6 – Vγ. Primećujemo da uključivanje T7 nije izazvalo promenu na izlazu Šmitovog kola. Visok napon na izlazu Šmitovog kola će biti prisutan sve dok napon na njegovom ulazu (kolektoru T7) ne dostigne gornji prag okidanja VT1. Vreme neophodno da napon na kolektoru T7 dostigne prag VT1, zbog punjenja kondenzatora C kroz otpornik R i bazu provodnog T6 iznosi T2 = CR ln

Vcc − Vd − Vces − Vbes + Vγ Vcc − VT 1

(2.12)

Smenom R10 = 1.5K, VT1 = 2V u izraze (2.11) i (2.12) za periodu izlaznog impulsa se dobija ⎛ 0.68 ⎞ T = T1 + T2 ≈ 0.196C + 0.29 RC = 0.29⎜1 + ⎟ R ⎠ ⎝

(2.13)

gde je C dato u pF, R u KΩ i T u ns. Vrednost otpornika R može da se kreće u granicama 5KΩ < R < 50KΩ i tada važi izraz (2.13) za C > 1nF. Za C < 1nF izraz (2.13) je suviše gruba aproksimacija i tada se koriste izrazi (2.11) i (2.12) ili grafikoni iz kataloga proizvođača. Minimalno trajanje impulsa je 75ns. S obzirom da je 74122 retrigerabilni monostabilni multivibrator, ako se pobudni impuls pojavi pre završetka impulsa na izlazu, a posle isteka vremena T1, leč kolo se resetuje,

VEŽBA 3

TTL LOGIČKA KOLA

65

kondenzator se isprazni, i započinje se generisanje novog intervala trajanja T1. Posle isteka dodatnog vremena T1 nastavlja se generisanje vremenskog intervala trajanja T2. Na ovaj način produženo je trajanje niskog nivoa na izlazu Šmitovog kola (kolektoru tranzistora T9).

VEŽBA 3

TTL LOGIČKA KOLA

67

Uputstvo za rad I Simulacija kola pomoću PSPICE-a

1

TROSTATIČKA TTL KOLA

1.1 U programu Schematics otvoriti fajl sa električnom šemom TTL trostatičkog neinvertorskog bafera, 3statbuf.sch, koji se nalazi u direktorijumu C:\msim\dik_lab\v2_ttl (C:\msim\dik_lab\v2_ttl\3statbuf.sch). Postaviti parametre kola i parametre simulacije u vremenskom domenu (Analysis -> Setup -> Transient...). Parametri kola: R1 = R2 = 33K. Parametri pobudnog generatora: V1: v1=0V, v2=5V, td=50us, pw=100us, per=200us V3: v1=0V, v2=5V, td=1us, pw=500us, per=1000us Parametri simulacije su: Print Step = 20ns Final Time = 1ms 1.2 Iz programa Schematics pokrenuti simulaciju (Analysis->Run PSpice ili F11). 1.3 U programu Probe snimiti talasne oblike napona na ulazu (V(V1)), kontrolnom ulazu (V(3)) i izlazu kola (V(Vy)). Uveriti se da se za V(3) = Vcc izlaz kola nalazi u stanju visoke impedanse. Tada izlazni napon definiše otporni razdelnik. UY = __________ 1.4 Gde se koriste trostatička kola?

2

TTL KOLO SA OTVORENIM KOLEKTOROM

2.1 Otvoriti fajl sa električnom šemom TTL neinvertorskog bafera (74LS07) sa otvorenim kolektorom, bufocho.sch, koji se nalazi u direktorijumu C:\msim\dik_lab\v2_ttl. Postaviti parametre kola i parametre simulacije u vremenskom domenu.

68

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

Parametri kola: R1 = 0.5K, L1 = 20mH Parametri pobudnog generatora: V1: v1=0V, v2=5V, td=0, pw=1ms, per=2ms Parametri simulacije su: Print Step = 20ns Final Time = 4ms 2.2 Pokrenuti simulaciju u vremenskom domenu (PSpice) i snimiti talasne oblike napona (Probe) na ulazu (V(V1:+) i izlazu kola (V(Viz)). Takođe posmatrati i struju koja protiče kroz kalem (I(L1)).

2.3 Po čemu se ova kola razlikuju od ostalih kola iz iste familije i koja je njihova primena.

3

TTL ŠMITOVO KOLO

3.1 Otvoriti fajl sa električnom šemom TTL Šmitovog kola (74LS13) sa otvorenim kolektorom, sch_trig.sch, koji se nalazi u direktorijumu C:\msim\dik_lab\v2_ttl\. Postaviti parametre kola i parametre simulacije u vremenskom domenu. Parametri pobudnog generatora: t1=0ms, v1=0V, t2=20ms, v2=5V, t3=40ms, v3=0V Parametri simulacije su: Print Step = 20ns Final Time = 40ms 3.2 Pokrenuti simulaciju domenu (PSpice)

u

vremenskom

3.3 Snimiti prenosnu karakteristiku ovog kola (Probe), odrediti pragove okidanja i histerezis. VT1 = _________ VT2 = _________ VH = _________. Slika 3

VEŽBA 3

TTL LOGIČKA KOLA

69

3.4 Otvoriti fajl sa električnom šemom astabilnog multivibratora realizovanog pomoću TTL Šmitovog kola, sch_amvb.sch, iz direktorijuma C:\msim\dik_lab\v2_ttl\. Postaviti parametre kola i parametre simulacije. Parametri kola: R1 = 2K, C1 = 1.5n Parametri simulacije: Print Step = 2ns Final Time = 20us 3.5 Pokrenuti simulaciju u vremenskom domenu (PSpice) i snimiti talasne oblike napona (Probe) na kondenzatoru C (napon V(C)) i na izlazu (napon V(Viz)).

3.6 Izmeniti vrednost otpornika R1 na 1K i pokrenuti ponovo simulaciju.Uočiti uticaj vrednosti otpronika R1 na trajanje kvazistabilnih stanja. Objasniti pojavu.

4

RETRIGERABILNI MONOSTABILNI MULTIVIBRATOR 74LS123

Na slici 4a prikazan je integrisani retrigerabilni monostabilni multivibrator 74LS123 a odgovarajuća funkcionalna tabela na slici 4b.

Slika 4a

Slika 4b

Radi se o dvostrukom retrigerabilnom monostabilnom multivibratoru koji može da generiše impulse trajanja nekoliko ns, sve do impulsa sa faktorom ispune 100% . Oba multivibratora imaju po 3 ulaza (A, B i CLR) preko kojih se može vršiti okidanje zadnjom ili prednjom ivicom okidnog impulsa. CLR ulaz takodje omogućava prekid generisanja izlaznog impulsa pre završetka kvazistabilnog stanja multivibratora. Za korektan rad monostabilnog multivibratora neophodni su spoljni otpornik Rx i kondenzator Cx. Oni definišu trajanje izlaznog impulsa, koje je dato izrazom T=KCxRx (Za Cx u pF, Rx u KΩ, T je dato u ns). Konstanta K zavisi od vrednosti kondenzatora Cx i za Cx > 1nF je K≈0.4. Ukoliko je struja curenja kondenzatora Cx veća od 100nA ili parazitne kapacitivnosti od

70

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

oba pina ka masi veće od 50pF trajanje impulsa može puno da odstupa od vrednosti date gornjim izrazom. 4.1 Otvoriti fajl sa električnom šemom astabilnog multivibratora amvb_123.sch, realizovanog pomoću dva monostabilna multivibratora (74LS123). Parametri kola: IC1 = 3.5V, IC2 = 0.1V Parametri multivibratora: U1: PULSE=50us U2: PULSE=80us Parametri simulacije: Print Step = 20ns Final Time = 1ms 4.2 Pokretnuti simulaciju u vremenskom domenu (PSpice) i snimiti talasne oblike na izlazima Q1 i Q2.

4.3 Opadajuća ivica impulsa generisanog na izlazu prvog monostabilnog kola Q1 preko ulaza A2 okida drugo monostabilno kolo. Slično, opadajućom ivicom impulsa dobijenog na izlazu drugog monostabilnog kola Q2 preko ulaza A1 se ponovo okida prvo monostabilno kolo. Primetimo da se na ovaj način trajanje impulsa i pauze može da reguliše potpuno nezavisno Promeniti vrednost dužine impulsa prvog monostabilnog multivibratora (parametar PULSE prvog 74LS123 kola, menja se dvostrukim klikom na kolo i izborom parametra PULSE, kako je opisano u uputstvu) na 80us.

4.4 Otvoriti fajl sa električnom šemom monostabilnog multivibratora mmv1_123.sch. Parametri multivibratora: U1: PULSE=50us U2: PULSE=80us Parametri generatora okidnih impulsa: Vtrigger: v1=0V, v2=5V, td=10us, pw=10us, per=200us Parametri simulacije: Print Step = 20ns Final Time = 1ms 4.5 Pokretnuti simulaciju u vremenskom domenu (PSpice) i snimiti talasne oblike na izlazima Q1 i Q2.

VEŽBA 3

TTL LOGIČKA KOLA

71

4.6 Monostabilni multivibrator (1) istovremeno služi za okidanje monostabilnog multivibratora (2) tako da se na izlazu Q2, u odnosu na ulazne okidne impulse, generišu impulsi čije kašnjenje definiše trajanje impulsa Q1, a trajanje je jednako trajanju impulsa Q2. Uočiti promene izlaznih napona Q1 i Q2 pri promeni trajanja impulsa Q1 (promenom vrednosti PULSE prvog multivibratora (U1) na 80us i ponavljanjem simulacije).

4.7 Otvoriti fajl sa električnom šemom monostabilnog multivibratora mmv2_123.sch. Parametri multivibratora: U1: PULSE=50us U2: PULSE=80us Parametri generatora okidnih impulsa: Vtrigger: v1=0V, v2=5V, td=10us, pw=10us, per=200us Linija za kašnjenje (U3): DELAY=50ns Parametri simulacije: Print Step = 20ns Final Time = 1ms 4.8 Pokretnuti simulaciju u vremenskom domenu (PSpice) i snimiti talasne oblike na izlazima Q1 i Q2.

72

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

4.9 Otvoriti fajl retr_123.sch.

sa

električnom

šemom

retrigerabilnog

monostabilnog

multivibratora

Parametri multivibratora: U1: PULSE=50us U2: PULSE=80us Parametri generatora okidnih impulsa: Vtrigger: v1=0V, v2=5V, td=10us, pw=10us, per=200us Parametri simulacije: Print Step = 20ns Final Time = 1ms 4.10 Pokretnuti simulaciju u vremenskom domenu (PSpice) i snimiti talasne oblike na izlazima Q1 i Q2. 4.11 Monostabilni multivibrator (U1) generiše kraći impuls, pa se on može iskoristiti za retrigerovanje monostabilnog multivibratora (U2) preko ulaza B. Promenom vrednosti trajanja impulsa Q1 menja se dužina trajanja izlaznog impulsa Q2. Promeniti parametar PULSE prvog (U1) monostabilnog multivibratora na 30us i ponoviti simulaciju. Uočiti promenu u dužini trajanja impulsa Q2.

VEŽBA 3

TTL LOGIČKA KOLA

73

II Snimanje talasnih oblika pomoću osciloskopa

5

TROSTATIČKA TTL KOLA

5.1 Uveriti se da se za E=Vcc izlaz kola nalazi u stanju visoke impedanse. Tada izlazni napon definiše otporni razdelnik. UY = __________ 5.2 Za E=0V na ulaz A dovoditi pravougaone impulse frekvencije 50KHz, amplitude 5V i snimati talasne oblike ulaznog i izlaznog napona.

6

Slika 1.

TTL KOLO SA OTVORENIM KOLEKTOROM

6.1 Na ulaz kola dovesti pravougaone impulse amplitude 5V, periode T=2ms. Osciloskopom snimiti talasne oblike ulaznog i izlaznog napona kola. Slika 2

74

7

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

TTL ŠMITOVO KOLO

7.1 Na slici 3 prikazano je integrisano TTL Šmitovo kolo (74LS13). Odrediti pragove okidanja i osciloskopom snimiti prenosnu karakteristiku dovodeći na ulaz kola prostoperiodičan napon frekvencije 1KHz.

Slika 3 7.2 Realizovati astabilni multivibrator i snimiti talasne oblike napona na kondenzatoru C i izlazu kola za R=2K.

8

RETRIGERABILNI MONOSTABILNI MULTIVIBRATOR 74LS123

8.1 Na slici 5 multivibrator monostabilna talasne oblike Q2.

prikazan je astabilni realizovan pomoću dva multivibratora. Snimiti napona na izlazima Q1 i

8.2 Vremenske konstante τ1 = (R1 + P)C1 i τ2 = R2C2 odredjuju trajanje impulsa i pauze. Menjati vrednost vremenske konstante τ1, okretanjem potenciometra P i uočiti promene u talasnim oblicima.

VEŽBA 3

TTL LOGIČKA KOLA

8.3 Na slici 6 prikazan je monostabilni multivibrator. Snimiti talasne oblike napona na ulazu (pravougaoni impulsi periode T = 200 µs) i izlazima Q1 i Q2. Uočiti promene izlaznih napona Q1 i Q2 pri promeni vremenske konstante τ1 (promenom vrednosti P).

8.4 Na ulaze A monostabilnih multivibratora (1) i (2), sa slike 7, dovoditi okidne impulse periode T=200µs. Monostabilni multivibrator (1) ima manju vremensku konstantu (τ1 < τ2, tj. R1 + P < R2) i koristi se za generisanje CLR impulsa za monostabilni multivibrator (2). Snimiti osciloskopom talasne oblike ulaznog i izlaznog napona Q2. Na ovaj način se završava generisanje izlaznog impulsa (skraćuje impuls) pre završetka kvazistabilnog stanja. Uočiti koje promene izlaznog napona izaziva promena vremenske konstante τ1 (promenom P).

75

76

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

8.5 Na ulaze A monostabilnih multivibratora (1) i (2), sa slike 8, dovoditi okidne impulse periode T=200µs. Monostabilni multivibrator (1) ima manju vremensku konstantu (τ1 < τ2, tj. R1 + P < R2), tj. generiše kraći impuls, pa se on može iskoristiti za retrigerovanje monostabilnog multivibratora (2) preko ulaza B. Snimiti osciloskopom talasne oblike napona na ulazu i izlazu Q2. Promenom vrednosti vremenske konstante τ1 uočiti promene izlaznog napona Q2.

Student:

Overio:

Datum:

Ocena:

VEŽBA 3

ECL LOGIČKA KOLA

77

Vežba 3 ECL logička kola Teorijski uvod Sporo kočenje zasićenih tranzistora osnovni je razlog za dugo vreme kašnjenja standardnih TTL kola. Međutim, ako bi se invertor realizovao sa jednim tranzistorom u spoju sa zajedničkim emitorom, koji ne ulazi u zasićenje, postoji problem stabilnosti napona logičke nule. Zbog neizbežnih varijacija napona Vbe, usled promena temperature i uticaja šuma, menja se kolektorska struja, a time i nivo logičke nule. Zbog toga, radi stabilizacije struje kolektora treba uvesti jaku negativnu povratnu spregu upotrebom velike otpornosti u kolu emitora, što zahteva velike varijacije ulaznog napona za prevođenje tranzistora iz zakočenja u aktivnu oblast, i obrnuto. Problem stabilnog rada u aktivnom režimu uz malu varijaciju pobudnog napona se rešava upotrebom diferencijalnog pojačavača, koga čine tranzistori T1 i T2 na Slici 3.1. Ubacivanjem paralelno još jednog tranzistora T1, realizuje se logička ILI funkcija. U kolu diferencijalnog pojačavača se zapravo struja koja teče kroz emitorski otpornik Re, usmerava u jedan ili drugi tranzistor malim promenama ulaznog napona. Za Vul = Vr struje kroz T1 i T2 su jednake (jednake polovini struje kroz Re). Sa rastom ulaznog napona, veći deo struje kroz Re odlazi u tranzistor T1, dok struja T2 srazmerno opada. Iz modela tranzistora znamo da kolektorska struja eksponencijalno zavisi od napona Vbe. Tako promena napona Vbe od svega 60mV izaziva povećanje ili smanjenje struje od 10 puta. Zato ulazni napon Vul = Vr + 120mV daje odnos Ic1 = 100Ic2, a za Vul = Vr – 120mV je Ic2 = 100Ic1.

Slika 3.1 ECl ILI/NILI kolo

Na izlazu Viz1 realizuje se NILI, a na izlazu Viz2 ILl logička funkcija. Otpornici R1 vezani na ulazne priključke predstavljaju opterećenje izlaznih tranzistora iz prethodnog stepena, a istovremeno nekorišćene ulaze drže na logičkoj nuli. S obzirom na njihovu veliku otpornost, a sa ciljem ubrzanja

78

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

rada kola, paralelno sa ovim otpornicima se ugrađuju manji otpornici od 2k, vezani na bateriju Vee ( na slici R2 ) . Kada T2 ne vodi, na ILI izlazu Viz2 je prisutna logička jedinica V(1)iz2 = 0 – Rc2Ib4 – Vbe4 = -0.7V. U slucaju da T2 vodi izlazni napon je na logičkoj nuli

Vr − Vbe 2 − Vee (3.1) Re Pri rastu niskog ulaznog napona tranzistor T1 počinje da vodi za Vul = V(0)max = Vr – Vbe2 + Vγ1. Pri opadanju visokog ulaznog napona tranzistor T2 počinje da vodi za Vul = V(1)min = Vr – Vγ2 + Vbe1. V (0) iz 2 = 0 − Rc 2 ( I c 2 − I b 4 ) − Vbe 4 = −Vbe − Rc 2

Pri projektovanju ovih kola vrednost referentnog napona Vr se dobija izjednačavanjem margina šuma za logičku nulu i jedinicu. Pored toga važan je i izbor otpornika Rc1 i Rc2, koji se dobijaju iz uslova da logički nivoi na oba izlaza budu kompatibilni. Tipične vrednosti za ove otpornike su reda nekoliko stotina oma. Za ovo kolo naponi Viz2 su simetrični u odnosu na referentni napon Vr tako da se izlazi mogu direktno vezivati na ulaze narednih ECL kola. Na drugom (ILI) izlazu, koji nema direktnu vezu sa ulazom, moguće su samo dve vrednosti izlaznog napona kao što je dato na karakteristici prenosa sa Slike 3.2. Karakteristika prvog izlaza je simetrična, osim kada je NILI izlaz na logičkoj nuli.

Slika 3.2 Prenosna karakteristika ECL ILI/NILI kola

Kada napon na ulazu postane veći od napona Vr i nastavi da raste, zbog rasta kolektorske struje prvog tranzistora (povećanog pada na Rc1) smanjuje se izlazni napon Viz1. Istovremeno opada i napon Vce1, tako da tranzistor T1 može otići u zasićenje kada ulazni napon dostigne vrednost

V1 = 0 −

Rc1 (0 − Vces1 − Vee ) − Vces1 + Vbe1 Rc1 = Re

(3.2)

kada izlazni napon ima vrednost

Viz1 (Vul = V1 ) = 0 −

Rc1 (0 − Vces1 − Vee ) − Vbe 3 Rc1 + Re

(3.3)

Posle ulaska tranzistora T1 u zasićenje (Vul > V1 ), napon na izlazu Viz1 počinje da raste Viz1 = Vul − Vbe 3 + Vces1 − Vbe 3 = Vul − Vbc1 − Vbe 3 ≈ Vul − 2Vbe

(3.4)

ali se u praksi T1 ne može naći u ovom radnom režimu, jer je Vul < -0.7V, koliko iznosi logička jedinica.

VEŽBA 3

ECL LOGIČKA KOLA

79

Slika 3.3 Modifikovano ECL ILI/NILI kolo

Jedan od načina realizacije referentnog napona Vr prikazan je na Slici 3.3. Tranzistor T3 sa otpornim razdelnikom R2, R3 služi za generisanje referentnog napona na bazi tranzistora T2, a diode obezbeđuju temperaturnu kompenzaciju ovog napona. Princip rada je potpuno isti kao i za osnovno ECL kolo sa Slike 3.1.

Slika 3.4 Monostabilni multivibrator realiyovan preko ECL NILI kola

Monostabilni multivibratori realizovani pomoću NILI kola se okidaju pozitivnim impulsima na ulazu kola. Jedno takvo kolo prikazano je na Slici 3.6. Kako je u stabilnom stanju Uul(0-) = V(0) = 1.72V, a isti napon je prisutan i na drugom ulazu NILI kola 2, napon u tački A iznosi VA(0-) = V(1) = -0.7V. Ovo je ulazni napon za NILI kolo 1, tako da vodi tranzistor T1, pa je na izlazu kola VB = V(0) = -1.72V. U stabilnom stanju kondenzator je pun i kroz njega struja ne teče. Zbog niskog napona u tački B, ne vodi odgovarajući tranzistor T1 u NILI kolu 1 (i kada bi vodio, kroz otpornik R bi tekla bazna struja koja se može zanemariti) tako da je napon tačke C identičan naponu tačke B, zbog nepostojanja struje kroz otpornik R. Početni napon na kondenzatoru je Vk(0-) = VC – VA = -1.02V. Dok je na ulazu kola visok napon Uul = 0V, vodi tranzistor T1 NILI kola 2, sa kolektorskom strujom

I c1 =

U ul − Vbe − Vee Re

(3.5)

80

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

Ova struja, nešto veća nego kada je na ulazu napon logičke jedinice, pravi povećani pad napona na otporniku Rc1, tako da je napon na izlazu Y u tački A nešto niži od logičke nule, tj. VA(0+) = 0 – Rc1Ic1 – Vbe4. Ovaj pad napona se prenosi kroz kondenzator, do tačke C tako da je Vc(0+) = VA + Vk. Sada ne vode tranzistori T1 na ulazu NILI kola 1, pa je VB(0+) = V(1). Iz kola punjenja kondenzatora vidimo da napon tačke C raste

[

]

VC (t ) = V (1) − V (1) − VC (0 + ) e − t / τ ,

τ = RC = 5µs

(3.6)

da bi na kraju kvazistabilnog stanja, u t = T1, počeo da vodi tranzistor T1 na ulazu NILI kola 1, Vc(T1-) = Vr – Vbe2 + Vγ1 = -1.53V, na osnovu čega iz (3.6) dobijamo T1 = τln2.23/(-0.7 - (-1.53)) = 5µs·ln2.23/0.83 = 4.94µs. Međutim, treba uzeti u obzir promenu na ulazu, koja se dešava u trenutku Ti = 1µs < T1. Tada napon tačke C iznosi Vc(t = Ti) = -0.7 - 2.23e-1/5 = -2.53V.

Slika 3.5

Za t > Ti je Uul = V(0) i odgovarajuci tranzistor T1 na ulazu NILI kola ne vodi, ali visok napon tačke B obezbeđuje vođenje drugog tranzistora T1 istog kola, tako da je sada VA = VY = V(O) = -1.72V. Promena napona u tački A, vrednosti ∆A = -1.72- (-1.91) = 0.19V, izaziva promenu u tački C, tako da je VC(Ti+) = VC(Ti-) + ∆A = -2.34V. Za t > Ti je VC(t) = -0.51 – [-0.51 – (-2.34)]e-t/τ

(3.7)

− 0.51 − (−2.34) = 2.92 µs − 0.51 − (−1.53)

(3.8)

tako dase dobija T1 = τ ln

kada je napon na kondenzatoru Vk(T1) = VC -VA = 0.19V. Po završetku kvazistabilnog stanja kolo se vraća u stabilno stanje, u kome je VB = V(0) = -1.72V a VA = V(1) = -0.7V. Napon u tački C iznosi VC(T1+) = VB + Vk = -0.51V, da bi posle 3τ = 3RC dostigao VC = VC(0-) = -1.72V i ovu vrednost zadržava do pojave novog okidnog impulsa. Posmatrajući talasni oblik napona u tački C, sa Slike 9.5, možemo da primetimo da njegova minimalna vrednost u trenutku t = 0+ zavisi od amplitude ulaznog napona. Talasni oblici napona svih tačaka u kolu su prikazani na Slici 3.6.

VEŽBA 3

ECL LOGIČKA KOLA

Slika 3.6 Talasni oblici napona

81

VEŽBA 3

ECL LOGIČKA KOLA

83

Uputstvo za rad I Simulacija kola pomoću PSPICE-a

1

ECL ILI/NILI KOLO

1.1 U programu Schematics otvoriti fajl sa električnom šemom ECL ILI/NILI kola, ecl.sch, koji se nalazi u direktorijumu C:\msim\dik_lab\v3_ecl (C:\msim\dik_lab\v3_ecl\ecl.sch). Postaviti parametre kola i parametre simulacije DC sweep (Analysis -> Setup -> DC Sweep...). Parametri kola: R1 = 215ohm, R2 = 250ohm, R3 = 780ohm, R4 = R5 = 50K, R6 = R7 = 2K. Parametri pobudnog generatora: Vee = -5.2V, Vr = -1.22V, V_0 = -2V Parametri simulacije su: Swept Var. Type – Voltage Source Sweep Type – Linear Name – V4 Start Value = -2V Ebd Value = 0V Increment = 0.01V 1.2 Iz programa Schematics pokrenuti simulaciju (Analysis->Run PSpice ili F11). 1.3 U programu Probe snimiti prenosnu karakteristiku ovog kola. Posmatrati i ILI i NILI izlaz (napone V(Viz1) i V(Viz2)). Odrediti i naponske nivoe logičke nule i logičke jedinice za oba izlaza. VILI(0) = ________

VILI(1) = ________

VNILI(0) = _______

VNILI(1) = _______

1.4 Napisati izraze za margine šuma. Izračunati margine šuma logičke nule i logičke jedinice za ovo kolo.

84

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

1.5 Zbog čega prenosna karakteiristika NILI izlaza nije ravna u oblasti gde je ovaj izlaz na niskom naponskom nivou?

2

MONOSTABILNI MULTIVIBRATOR

2.1 U programu Schematics otvoriti fajl sa električnom šemom monostabilnog multivibratora realizovanog u ECL tehnici, ecl_mmvb.sch, koji se nalazi u direktorijumu C:\msim\dik_lab\v3_ecl. Postaviti parametre kola i parametre simulacije u vremenskom domenu (Analysis -> Setup -> Transient...). Parametri kola: R1 = 5K, C1 = 1n. Parametri generatora okidnih impulsa: Vin :v1 = -1.8V, v2 = -0.8V, td = 1us, pw = 0.01us, per = 300 us. Parametri simulacije su: Print Step = 20ns Final Time = 1ms 2.2 Iz programa Schematics pokrenuti simulaciju (Analysis->Run PSpice ili F11). 2.3 U programu Probe snimiti talasne oblike napona u tačkama A, B i C (naponi V(A), V(B) i V(C)). Na graficima naznačiti sve karakteristične vrednosti.

VEŽBA 3

ECL LOGIČKA KOLA

85

VEŽBA 3

ECL LOGIČKA KOLA

87

II Snimanje talasnih oblika pomoću osciloskopa 3

ECL ILI/NILI kolo

3.1 Na Slici 1 prikazano je ECL ILI/NILI kolo iz familije 10K.

Slika 1 3.2 Dovodeći na ulaz logičkog kola sa Slike 1 prostoperiodičan napon frekvencije 1KHz, snimiti pomoću osciloskopa prenosnu karakteristiku ECL ILI/NILI kola.

3.3 Odrediti logičke nivoe i margine šuma. Uporediti dobijene rezultate sa onim dobijenim simulacijom.

Student:

Overio:

Datum:

Ocena:

VEŽBA 4

IMPULSNA KOLA REALIZOVANA NAPONSKIM KOMPARATORIMA

89

Vežba 4 Impulsna kola realizovana naponskim komparatorima Teorijski uvod Regenerativni komparatori su bistabilna kola sa pozitivnom povratnom spregom kod kojih se promena stanja na izlazu kola koja nastaje zbog promena ulaznog napona, upravo zbog postojanja pozitivne povratne sprege, zbiva za različite vrednosti napona na ulazu zavisno od toga da li ulazni napon raste ili opada. Za razliku od ovih kola diferencijalni neregenerativni komparatori imaju isti prag promene i pri rastu i pri opadanju ulaznog napona. Uobičajeno je da se u literaturi regenerativni komparatori nazivaju Šmitovim kolima. Korišćenjem standardnog operacionog pojačavača Šmitovo kolo se može realizovati kao na slici 4.1. Otpornik R ograničava izlaznu struju operacionog pojačavača, dok Zener dioda ograničava opseg izlaznog napona.

Slika 4.1 Regenerativni komparator sa invertujućom karakteristikom

Da bi prekidačko kolo bilo regenerativno kružno pojačanje u kolu mora da bude veće od jedan, odnosno kA > 1, gde je sa k obeležen faktor povratne sprege, a sa A pojačanje operacionog pojačavača bez reakcije. Dakle treba da je ispunjen uslov

k=

R1 1 > R1 + R2 A

(4.1)

što se lako zadovoljava pošto je pojačanje operacionog pojačavača vrlo veliko. Ako je ulazni napon dovoljno nizak, tj manji od gornjeg praga VT2, na izlazu operacionog pojačavača napon je visok, obezbeđujući rad Zener diode u proboju, tako da je na izlazu Uiz = VOH = VZ. Na izlazu komparatora će biti visok napon, sve dok je ulazni napon manji od referentnog napona na neinvertujućem ulazu operacionog pojačavača, definisanog otpornim razdelnikom R1, R2.

VR =

R1 R2 U iz VX + R1 + R2 R1 + R2

(4.2)

Kada pri rastu ulazni napon dostigne vrednost gornjeg praga okidanja kola

VT 2 = VR =

R2 R1 V X = kVZ + (1 − k )V X VZ + R1 + R2 R1 + R2

(4.3)

90

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

izlazni napon operacionog pojačavača prelazi na nizak nivo. Sada je Zener dioda direktno polarisana pa je napon na izlazu VOL = -Vd. Dalji rast ulaznog napona ne menja stanje u kolu. Da bi došlo do promene na izlazu komparatora neophodno je da ulazni napon opada. Izlazni napon se vraća na visok nivo kada pri opadanju ulazni napon dostigne vrednost donjeg praga okidanja, odnosno referentnog napona prisutnog na neinvertujućem ulazu operacionog pojačavača

VT 1 = VR =

R2 R1 (−Vd ) + V X = −kVd + (1 − k )V X R1 + R2 R1 + R2

(4.4)

Slika 4.2 Prenosna karakteristika komparatora sa slike 4.1

Karakteristika prenosa komparatora sa Slike 4.1 data je na Slici 4.2. Iz izaraza (4.3) i (4.4) za širinu i centar histerezisa se dobija V H = VT 2 − VT 1 = k (VOH − VOL ) = k (VZ − Vd )

VC =

VT 1 + VT 2 k (VZ − Vd ) = + (1 − k )V X 2 2

(4.5) (4.6)

Iz izraza (4.5) i (4.6) vidimo da referentni napon VX nema uticaja na širinu histerezisa, ali se njime može podešavati centar histerezisa. S obzirom da je ulazni napon bio doveden na invertujući ulaz operacionog pojačavača dobijena prenosna karakteristika je invertujućeg tipa. Ako se ulazni napon dovede na neinvertujući ulaz operacionog pojačavača, kao na Slici 4.3a, dobija se neinvertujuća prenosna karakteristika prikazana na slici 4.3b.

(a)

(b)

Slika 3.3 Komparator (a) i odgovarajuća neinvertujuća prenosna karakteristika (b)

Za dovoljno niske ulazne napone je

VR =

R2 R1 U ul + U iz < V X R1 + R2 R1 + R2

(4.7)

zbog čega je napon na izlazu komparatora nizak Uiz = VOL = -Vd. Pri rastu ulaznog napona, raste i napon VR, koji kada dostigne gornji prag okidanja (tada je VR = VX) izaziva skok napona na izlazu komparatora. Iz izraza (4.7), za gornji prag okidanja se dobija

VEŽBA 4

IMPULSNA KOLA REALIZOVANA NAPONSKIM KOMPARATORIMA

⎛ R R ⎞ VT 2 = ⎜⎜1 + 1 ⎟⎟V X + 1 Vd R2 ⎝ R2 ⎠

91

(4.8)

Sada je napon na izlazu kola Uiz = VZ, i da bi došlo do promene na izlazu kompratora ulazni napon treba da opada. Do promene dolazi kada se izjednače naponi na ulazima operacionog pojačavača (VX = VR) odakle se iz izraza (4.7) dobija vrednost donjeg praga

⎛ R ⎞ R VT 1 = ⎜⎜1 + 1 ⎟⎟V X − 1 VZ R2 ⎝ R2 ⎠

(4.9)

Na osnovu izraza (4.8) i (4.9) za širinu histerezisa i centar histerezisa se dobija

VH = VT 2 − VT 1 = VC =

R1 (Vd + VZ ) R2

(4.10)

VT 1 + VT 2 ⎛ R ⎞ R (V − VZ ) = ⎜⎜1 + 1 ⎟⎟V X + 1 d 2 2 R2 ⎝ R2 ⎠

(4.11)

Najjednostavniji način da se realizuje astabilni multivibrator pomoću operacionog pojačavača bazira se na upotrebi komparatora sa invertujućom prenosnom karakteristikom. Pri tome se ulazni napon komparatora generiše na kondenzatoru, njegovim punjenjem i pražnjenjem, kako je dato na slici 4.4.

Slika 3.4 Astabilni multivibrator sa regenerativnim komparatorom

Komparator sa slike ima pragove okidanja

VT 2 =

R1 R1 U iz ≈ Vcc = βVcc R1 + R2 R1 + R2

(4.12)

Dok je napon na izlazu kola visok, kondenzator se puni kroz otpornik R3 sve dok napon na ulazu komparatora (na invertujućem ulazu operacionog pojačavača) ne dostigne vrednost gornjeg praga VT2. Sada napon na izlazu komparatora prelazi na nizak nivo, dok napon na kondenzatoru ne može naglo da se promeni i zadržava vrednost βVcc. Kondenzator se prazni kroz otpornik R3 i izlaz pojačavača, sa vremenskom konstantom τ = C(R3 + R + Riz) ≈ CR3, ka asimptotskom naponu Uiz ≈ Vcc, sve dok napon ne dostigne vrednost donjeg praga VT1 = -βVcc. Na osnovu ovoga se dobija trajanje prvog kvazistabilnog stanja

T1 = τ ln

− Vcc − VT 2 1+ β = CR3 ln 1− β − Vcc − VT 1

(4.13)

92

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

po čijem završetku je na izlazu kola visok naponski nivo. U drugom kvazistabilnom stanju kondenzator se puni istom vremenskom konstantom asimptotski težeći ka vrednosi Uiz ≈ Vcc dok napon na njemu ne dostigne vrednost gornjeg praga VT2, odakle se za trajanje drugog kavzistabilnog stanja dobija

T2 = τ ln

Vcc − VT 1 1+ β = CR3 ln = T1 Vcc − VT 2 1− β

(4.13)

Talasni oblici napona u karakterističnim tačkama astabilnog kola sa slike 4.4 dati su na slici 4.5. Pri odreivanju trajanja kvazistabilnih stanja T1 i T2 pretpostavljeno je da je vreme prebacivanja komparatora zanemarljivo malo i nije uzet u obzir uticaj ulazne i izlazne otpornosti operacionog pojačavača, kao ni pad napona na otporniku R, što onemogućava da napon na izlazu ima vrednost napona napajanja. Pozitivni i negativni izlazni napon zasićenja operacionog pojačavača realizovanog bipolarnim tranzistorima su za oko 1V manji od napona napajanja. Zbog velike ulazne otpornosti operacionog pojačavača R1 + R2 može imati vrednosti od nekoliko stotina oma do nekoliko megaoma. U istim granicama se može menjati i vremenski otpornik R3.

Slika 4.5 Vremenski dijagrami napona astabilnog multivibratora

Najveći nedostatak opisanog astabilnog multivibratora je nedovoljna tačnost pragova okidanja i njihova loša temperaturna stabilnost. Ovaj nedostatak, uz konačno vreme prebacivanja komparatora, razlog su da se ovakva kola koriste na frekvencijama do 100 kHz. Naime, maksimalna frekvencija je ograničena graničnom frekvencijom operacionog pojačavača za velike signale, a ona je na primer za komercijalni operacioni pojačavač 741 oko 10kHz. Modifikacijom astabilnog multivibratora sa slike 4.4 dobija se monostabilni multivibrator prikazan na slici 4.6. Oscilacije u kolu su onemogućene ukoliko se spreči da napon na kondenzatoru dostigne vrednost neophodnu za okidanje komparatora. To se najlakše izvodi tako što se preko diode kondenzator veže na referentni napon čija je vrednost manja od napona praga. S obzirom da je anoda diode vezana na nulti potencijal, kada je na izlazu komparatora nizak naponski nivo VOL ≈ Vcc, pri pražnjenju kondenzatora se stiču uslovi da dioda provede, čime kolo ulazi u stabilno stanje u kome je napon na kondenzatoru Uk(0) = -Vd > VT1 = -βVcc. Dovoenjem pozitivnog okidnog impulsa dovoljno velike amplitude, neinvertorski ulaz pojačavača postaje pozitivniji od napona na kondenzatoru (invertujućem ulazu) usled čega dolazi do promene naponskog nivoa na izlazu kola. Sada je Uiz = VOH ≈ Vcc, zbog čega dioda više ne vodi, a kondenzator se puni kroz otpornik R3 i izlaz pojačavača

[

]

U k (t ) = VOH − VOH − U k (0 + ) e − t / τ

(4.15)

dok ne dostigne vrednost gornjeg praga VT2, datog izrazom (4.12), odakle se za trajanje

VEŽBA 4

IMPULSNA KOLA REALIZOVANA NAPONSKIM KOMPARATORIMA

93

kvazistabilnog stanja dobija Vd V − U k ( 0) Vcc = τ ln OH = CR3 ln 1− β VOH − U k (TKS ) 1+

TKS

(4.16)

Za t > TKS na izlazu kola je Uiz = VOL, a vreme oporavka monostabilnog multivibratora određeno je vremenom neophodnim da se, usled pražnjenja kroz R3 i izlaz pojačavača, napon na kondenzatoru spusti na Uk = -Vd, kada provede dioda koja sprečava dalji pad napona na kondenzatoru, a čime se kolo vratilo u stabilno stanje. TO = τ ln

VOL − U k (TKS ) 1+ β = CR3 ln V VOL − U k (TKS + TO ) −1+ d Vcc

(4.17)

Slika 4.6 Monostabilni multivibrator realizovan pomoću operacionog pojačavača

S obzirom da trajanje kvazistabilnog stanja zavisi od početnog napona na kondenzatoru, da bi impulsi na izlazu monostabilnog kola uvek imali isto trajanje TKS, potrebno je da se dozvoli uključivanje diode, tako da minimalna perioda ulaznih impulsa iznosi Tmin = TKS + TO. Talasni oblici napona na kondenzatoru i izlazu monostabilnog multivibratora dati su na Slici 4.7.

Slika 4.7 Vremenski dijagrami napona na kondenzatoru i izlazu kola

94

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

Pri realizaciji monostabilnog kola može se i katoda diode, umesto anode, vezati na nulti potencijal. Tada monostabilni multivibrator ulazi u stabilno stanje kada je na izlazu kola visok naponski nivo, a dioda provodi sprečavajući rast napona na kondenzatoru iznad vrednosti Vd, a za okidanje kola koriste se negativni okidni impulsi. Upoređivanjem sa naponima prikazanim na Slici 3.7 u ovom slučaju talasni oblici napona su simetrični u odnosu na vremensku osu a trajanje kvazistabilnog stanja i oporavka identično i dato izrazima (4.16) i (4.17).

VEŽBA 4

IMPULSNA KOLA REALIZOVANA NAPONSKIM KOMPARATORIMA

95

Uputstvo za rad I Simulacija kola pomoću PSPICE-a

1

REGENERATIVNI KOMPARATOR I

1.1 U programu Schematics otvoriti fajl sa električnom šemom regenerativnog komparatora realizovanog pomoću operacionog pojačavača, regkomp1.sch, koji se nalazi u direktorijumu C:\msim\dik_lab\v4_opcmp (C:\msim\dik_lab\v4_opcmp\regkomp1.sch). Postaviti parametre kola i parametre simulacije u vremenskom domenu (Analysis -> Setup -> Transient...). Parametri kola su: R1 = 22K, R2 = 51K, R3 = 50Ω (0.05K). Parametri pobudnog generatora: Vul (V4): t1 = 0, v1 = -12V, t2 = 20ms v2=12V, t3=40ms, v3 = -12V Vr = 0V Parametri simulacije su: Print Step = 20ns Final Time = 40ms 1.2 Iz programa Schematics pokrenuti simulaciju (Analysis->Run PSpice ili F11). 1.3 U programu Probe snimiti prenosnu karakteristiku ovog kola i odrediti vrednosti pragova okidanja i histerezis. VT1 = __________ VT2 = __________ VH = ___________.

1.4 Promeniti vrednost referentnog napona Vr na 3V i ponoviti simulaciju. Da li referentni napon Vr utiče na vrednost histerezisa: DA

NE .

1.5 Promeniti vrednost otpornika R2 (postaviti R2=100K) i ponoviti simulaciju. Uočiti promene u prenosnoj karakteristici. Opisati promenu:

96

2

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

REGENERATIVNI KOMPARATOR II

2.1 U programu Schematics otvoriti fajl sa električnom šemom regenerativnog komparatora realizovanog pomoću operacionog pojačavača, regkomp2.sch, koji se nalazi u direktorijumu C:\msim\dik_lab\v4_opcmp. Postaviti parametre kola i parametre simulacije u vremenskom domenu. Parametri kola: R1 = 22K, R2 = 51K, R3 = 50Ω Parametri pobudnog generatora: Vul (V4): t1 = 0, v1 = -12V, t2 = 20ms v2=12V, t3=40ms, v3 = -12V Vr = 0V Parametri simulacije su: Print Step = 20ns Final Time = 40ms 2.2 Iz programa Schematics pokrenuti simulaciju (Analysis->Run PSpice ili F11). 2.3 U programu Probe snimiti prenosnu karakteristiku ovog kola i odrediti vrednosti pragova okidanja i histerezis. VT1 = __________ VT2 = __________ VH = ___________. 2.4 Promeniti vrednost referentnog napona Vr na -3V i ponoviti simulaciju. Kako ovaj napon utiče na histerezis.

2.5 Promeniti vrednost otpornika R2 (R2=100K) i ponoviti simulaciju. Uočiti uticaj ove promene na prenosnu karakteristiku. Opisati promenu.

3

ASTABILNI MULTIVIBRATOR

3.1 Otvoriti fajl sa električnom šemom astabilnog multivibratora realizovanog pomoću operacionog pojačavača, a_mvb.sch, iz direktorijuma C:\msim\dik_lab\v4_opcmp\. Primetiti da je ovaj astabilni multivibrator realizovan modifikacijom regenerativnog komparatora iz prethodne tačke. Postaviti parametre kola i parametre simulacije. Parametri kola su: R1 = 10K, R2 = 33K, R3 = 33K, R4 = 50Ω, C1 = 100n

VEŽBA 4

IMPULSNA KOLA REALIZOVANA NAPONSKIM KOMPARATORIMA

97

Parametri simulacije su: Print Step = 20ns Final Time = 10ms 3.2 Pokrenuti simulaciju u vremenskom domenu (PSpice) i snimiti talasne oblike napona (Probe) na kondenzatoru C (napon V(C)), u tački A (V(A)) i na izlazu kola (napon V(Viz)). Na grafikonima naznačiti karakteristične vrednosti signala.

4

MONOSTABILNI MULTIVIBRATOR

4.1 Otvoriti fajl sa električnom šemom monostabilnog multivibratora realizovanog pomoću operacionog pojačavača, m_mvb.sch, iz direktorijuma C:\msim\dik_lab\v4_opcmp\. Primetiti da je ovaj monostabilni multivibrator realizovan modifikacijom astabilnog iz prethodne tačke. Postaviti parametre kola i parametre simulacije. Parametri kola: R1 = 10K, R2 = 33K, R3 = 33K, R4 = 50Ω, C1 = 100n, C2 = 1n, R5 = 0.5K Parametri generatora okidnih impulsa: Trigger: v1 = 0V, v2 = 3V, td = 10us, pw = 10us, per = 4ms Parametri simulacije: Print Step = 20ns Final Time = 20ms 4.2 Pokrenuti simulaciju u vremenskom domenu (PSpice) i snimiti talasne oblike napona (Probe) na kondenzatoru C (napon V(C)), u tački A (V(A)) i na izlazu kola (napon V(Viz)). Na grafikonima naznačiti karakteristične vrednosti signala.

98

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

4.3 Šta će se u kolu promeniti ako se dioda D1 postavi sa suprotnim polaritetom?

4.4 Koji uslovi ( >>) treba da budu zadovoljeni da bi postojalo sigurno okidanje kola: T______Tks, Ti______Tks, Tp______Tks, Ti______RsCs, Tp______RsCs

VEŽBA 4

IMPULSNA KOLA REALIZOVANA NAPONSKIM KOMPARATORIMA

99

II Snimanje talasnih oblika pomoću osciloskopa

5

REGENERATIVNI KOMPARATOR I

5.1 Sačiniti regenerativni komparator prema šemi sa Slike 1. Na ulaz regenerativnog komparatora dovoditi prostoperiodičan napon frekvencije 1KHz, pri Vr=0V.

Slika 1 5.2 Odrediti najmanju amplitudu prostoperiodičnog napona [Trial mode] pri kojoj kolo menja stanje na izlazu. Umin = __________ snimiti prenosnu 5.3 Osciloskopom karakteristiku kola i odrediti histerezis kada je potenciometrom P podešen Vr=0V. VH = ___________.

5.4 Izraz za histerezis je: Izračunata vrednost histerezisa je: Kakvo je slaganje snimljene i teorijski izračunate prenosne karakteristike? Komentar:

100

6

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

REGENERATIVNI KOMPARATOR II

6.1 Sačiniti regenerativni komparator prema šemi sa Slike 2. Na ulaz regenerativnog komparatora dovoditi prostoperiodičan napon frekvencije 1KHz.

Slika 2 6.2 Snimiti prenosnu karakteristiku kola i odrediti histerezis kada je potenciometrom P podešen Vr=0V. VH = _____________.

7

ASTABILNI MULTIVIBRATOR

7.1 Sačiniti astabilni multivibrator prema šemi sa Slike 3 i snimiti talasne oblike napona u tački A, na kondenzatoru i izlazu operacionog pojačavača naznačivši njihove karakteristične vrednosti.

Slika 3

VEŽBA 4

8

IMPULSNA KOLA REALIZOVANA NAPONSKIM KOMPARATORIMA

101

MONOSTABILNI MULTIVIBRATOR

8.1 Modifikacijom astabilnog multivibratora prema šemi sa Slike 4, realizovati monostabilni multivibrator.

Slika 4 8.2 Na ulaz kola za diferenciranje dovoditi okidne impulse periode T=4ms. Snimiti talasne oblike napona u tački A, na kondenzatoru C i izlazu operacionog pojačavača naznačivši njihove karakteristične vrednosti.

102

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

Student:

Overio:

Datum:

Ocena:

VEŽBA 5

GENERATORI LINEARNE VREMENSKE BAZE

103

Vežba 5 Generatori linearne vremenske baze Teorijski uvod Na slici 5.1 prikazan je astabilni Milerov integrator. Za njegovu realizaciju neophodan je komparator sa histerezisom neinvertorskog tipa (realizovan operacionim pojačavačem 1), jer za pozitivne napone na ulazu Milerovog integratora izlazni linearni napon je opadajući. Dok je na izlazu komparatora visok napon, u tački B je VB(0-) = VBmax = VZ2 + Vd1, izlazni napon linearno opada kao i napon tačke A na ulazu komparatora

V A (t ) =

R2 R1 U iz (t ) + VB R1 + R2 R1 + R2

(5.1)

S obzirom da je na invertujućem ulazu napon nula, do promene na izlazu komparatora dolazi za VA = 0, kada izlazni napon dostiže vrednost

U iz (0) = U iz min = −

R1 VB max R2

(5.2)

Slika 5.1 Milerov integrator sa operacionim pojačavačem

Kako je izlazni napon ograničen napajanjem neophodan uslov za astabilan rad kola je

V R1 < cc R2 VB max

(5.3)

Sada je izlaz komparatora na niskom nivou, VB(0+) = VBmin = -VZ1 – Vd2, a izlazni napon raste U B min U iz (t ) = U iz min

I t + k = U iz min + C

R4 C

t (5.4)

Zbog pada napona u tački B skokovito se menja i napon na ulazu komparatora

V A (0 + ) =

R2 R1 U iz min + VB min < 0 R1 + R2 R1 + R2

(5.5)

koji sada raste po izrazu (5.1) dok ne dostigne vrednost nula čime se završava prvo kvazistabilno

104

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

stanje. Tada je U iz (TKS ) = U iz max = − TKS = CR4

R1 U B min odakle se iz izraza (5.4) dobija R2

U iz max − U iz min CR1 R4 (VZ 1 + VZ 2 + 2Vd ) = U B min R2 (VZ 1 + Vd )

(5.6)

Na izlazu komparatora za t > TKS napon je pozitivan, UB = UBmax, zbog čega izlazni napon linearno opada dok ne dostigne vrednost Uizmin. Za periodu izlaznog napona se dobija T = TKS 1 + TKS 2

CR1 R4 (VZ 1 + VZ 2 + 2Vd ) 2 = R2 (VZ 1 + Vd )(VZ 2 + Vd )

(5.7)

Talasni oblici napona u tačkama A, B i C prikazani su na Slici 5.2.

Slika 5.2 Naponi u tačkama A, B i na izlazu Milerovog integratora

Na Slici 5.3 prikazan je astabilni generator linearnog napona realizovan pomoću Butstrep integratora, a na Slici 5.4 odgovarajući talasni oblici napona.

Slika 5.3 Butstrep integrator sa operacionim pojačavačem

I uvom slučaju iskorišćen je komparator sa neinvertujućom prenosnom karakteristikom (operacioni pojačavač 1). Kao jedinični pojačavač koristi se operacioni pojačavač 2. Zbog veće ulazne impedanse u odnosu na tranzistor u sprezi sa zajedničkim kolektorom, koji je korišćen kao jedinični pojačavač u tranzistorskoj realizaciji integratora, greška linearnosti generisanog izlaznog napona biće manja.

VEŽBA 5

GENERATORI LINEARNE VREMENSKE BAZE

105

Slika 5.4 Talasni oblici napona u tačkama A, B i na izlazu butstrep integratora

Dok je na izlazu komparatora nizak napon, VB(0-) = -Vd, tranzistor T ne vodi. Kondenzator C se puni konstantnom strujom Ik = (Vcc – Vd)/R4, izlazni napon raste linearno, zbog čega raste i napon tačke A dat izrazom (3.7) tj.

V A (t ) =

R2 R1 U iz (t ) + VB R1 + R2 R1 + R2

(5.8)

Izlazni napon kola ograničen je napajanjem, a za prelazak u drugo kvazistabilno stanje potrebno je okidanje komparatora, što se dešava kada napon tačke A dostigne vrednost Vr, odakle se za maksimalnu vrednost referentnog napona za astabilni rad dobija Vr max =

1 ( R2U iz max − R1Vd ) R1 + R2

(5.9)

U drugom kvazistabilnom stanju izlazni napon je visok, VB(0+) = VZ, zbog čega vodi tranzistor T. Zbog visokog napona na svom kolektoru, koji drži kondenzator C, tranzistor je u aktivnoj oblasti. Kondenzator C se sada prazni strujom Ic - Ik, gde je Ic = β(VZ – Vbe)/Rb, dok se ne spusti na vrednost Vr, kada se ponovo menja stanje na izlazu komparatora. Skokovite promene napona u tački A na kraju kvazistabilnih stanja posledice su promene napona na izlazu komparatora. Emitor tranzistora vezan je na masu zbog čega je minimalni napon na kolektoru (izlazu kola) ograničen na Vces. Ovim je definisana minimalna vrednost referentnog napona koja obezbeđuje astabilni rad kola Vr max =

1 ( R2Vces − R1VZ ) R1 + R2

(5.10)

Dakle, astabilni rad kola je obezebeen pravilnim izborom referentnog napona Vrmin < Vr < Vrmax, odakle se za ekstremne vrednosti izlaznog napona dobija ⎛ R ⎞ R U iz max = U iz (0) = ⎜⎜1 + 1 ⎟⎟Vr + 1 Vd R2 ⎠ R2 ⎝ ⎛ R R ⎞ U iz min = U iz (TKS 1 ) = ⎜⎜1 + 1 ⎟⎟Vr − 1 VZ R2 R2 ⎠ ⎝

(5.11)

a za periodu izlaznog signala

T = TKS1 + TKS 2 =

R1 C (Vd + VZ ) R1 C (Vd + VZ ) + R2 I c − I k R2 Ik

(5.12)

VEŽBA 5

GENERATORI LINEARNE VREMENSKE BAZE

107

Uputstvo za rad I Simulacija kola pomoću PSPICE-a 1

MILEROV INTEGRATOR

1.1 U programu Schematics otvoriti fajl sa električnom šemom Milerovog integratora, miller.sch, koji se nalazi u direktorijumu C:\msim\dik_lab\v5_oplvb (C:\msim\dik_lab\v5_oplvb\miller.sch). Postaviti parametre kola i parametre simulacije u vremenskom domenu (Analysis -> Setup -> Transient...). Parametri kola: R1 = 22K, R2 = 30K, R3 = 0.05K, R4 = 22K, R5 = 10K, C1 = 10n Parametri simulacije su: Print Step = 20ns Final Time = 2ms 1.2 Iz programa Schematics pokrenuti simulaciju (Analysis->Run PSpice ili F11). 1.3 U programu Probe snimiti talasne oblike napona u tački A (V(A)), B (V(B)) i izlazu kola (V(V_miller)).

1.4 Promeniti vrednost otpornika R4 na 51k. Objasniti razliku u talasnim oblicima napona.

108

2

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

BUTSTREP INTEGRATOR

2.1 U programu Schematics otvoriti fajl sa električnom šemom Bootstrap integratora, bootstr.sch, koji se nalazi u direktorijumu C:\msim\dik_lab\v5_oplvb. Postaviti parametre kola i parametre simulacije u vremenskom domenu. Parametri kola: R1 = 22K, R2 = 30K, R3 = 50ohm, R4 = 270K, R5 = 110K, R6 = 1K, C1 = 5n, C2 = 100n, Vr = 4V Parametri simulacije su: Print Step = 20ns Final Time = 1ms 2.2 Iz programa Schematics pokrenuti simulaciju. 2.3 U programu Probe snimiti talasne oblike napona u tački A (V(A)), B (V(B)) i izlazu kola (V(V_bootstrap)).

2.4 Koju ulogu imaju dioda D2, tranzistor Q1 i kondenzator C2 u ovom kolu. Od čega značajno zavisi linearnost vremenske baze butstrep integratora.

VEŽBA 5

GENERATORI LINEARNE VREMENSKE BAZE

II Snimanje talasnih oblika pomoću osciloskopa

3

MILEROV INTEGRATOR

3.1 Sačiniti Milerov integrator prema šemi sa slike 5. 3.2 Snimiti talasne oblike napona u tačkama A, B i na izlazu kola za Vz1 = 4V.

Slika 5

1.1 Promeniti Vz1 (Vz1=8V) i uočiti nastalu promenu.

109

110

4

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

BUTSTREP INTEGRATOR

4.1 Sačiniti Butstrep integrator prema šemi sa slike 6.

Slika 6 4.2 Snimiti talasne oblike napona u tački A, B i na izlazu kola za Vr=4V.

Student:

Overio:

Datum:

Ocena:

VEŽBA 6

INTEGRISANI TAJMER 555

111

Vežba 6 Integrisani tajmer 555 Teorijski uvod U elektronici se pod integrisanim tajmerima podrazumevaju integrisana kola za generisanje impulsa stabilnih vremenskih intervala čije su trajanje ili perioda ponavljanja regulisani spoljašnjim otpornikom R i kondenzatorom C. Mogu da rade u astabilnom ili monostabilnom režimu zbog čega se nazivaju univerzalni multivibratori. Vrednosti za R i C mogu se regulisati u veoma širokom opsegu što omogućava podešavanje vremenskih intervala u granicama od nekoliko stotina nanosekundi do nekoliko minuta. Prema principu rada integrisani tajmeri se dele na jednociklusne i višeciklusne tj. brojačke. Jednociklusni tajmeri generišu impulse čije je trajanje određeno jednim ciklusom punjenja (pražnjenja) spoljašnjeg vremenskog kondenzatora. Koriste se za generisanje impulsa kraćih vremenskih intervala (sa trajanjem do nekoliko minuta). Kod višeciklusnih tajmera spoljašnji kondenzator se puni i prazni više puta u toku generisanja vremenskog intervala. Sastoji se od osnovnog jednociklusnog tajmera i brojača. Broj punjenja i pražnjenja je određen odnosom deljenja N binarnog brojača, zbog čega su pogodni za generisanje impulsa dužih vremenskih intervala u trajanju od nekoliko sekundi do nekoliko časova. Tipične primene su generisanje preciznih impulsa i kašnjenja, generisanje takta niske frekvencije, periodično generisanje preciznih impulsa, impulsna širinska i položajna modulacija. Od svih integrisanih tajmera najveću primenu ima tajmer 555 koji je prvi put proizveden 1972. godine. Proizvodi se u kućištu sa 8 izvoda ili kao dvostruki tajmer u kućištu sa 14 ili 16 izvoda sa oznakom 556. Električna šema tajmera 555 prikazana je na Slici 6.1

Slika 6.1 Električna šema tajmera 555

112

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

Funkcionalna blok šema ovog kola, data na Slici 6.2, sastoji se od neinvertujućeg komparatora K1, invertujućeg komparatora K2, RS leča sa mogućnošću direktnog upisivanja, otpornog razdelnika za definisanje referentnih nivoa komparatora, izlaznog invertora i tranzistora T14 koji prazni spoljašnji kondenzator. Oba diferencijalna komparatora imaju ulazne tranzistore u Darlingtonovom spoju (T1 i T2, tj. T3 i T4 za komparator K1 i T10 i T11, tj. T12 i T13 za komparator K2) zbog čega je ulazna struja mala i obično iznosi oko 100nA. Komparator K1 kao kolektorsko opterećenje ima strujna ogledala realizovana tranzistorima T5 i T6, tj. T7 i T8. U komparatoru K2 emitorsko opterećenje tranzistora T11 i T12 predstavlja logaritamsko Vidlarovo strujno ogledalo, realizovano pomoću tranzistora T9 i T19, i otpornika R4. S obzirom da su struje baze tranzistora T4 i T13 male, identični otpornici R7 = R8 = R9 određuju pragove okidanja komparatora K1 2 V R1 = Vcc 3

(6.1)

1 V R 2 = Vcc 3

(6.2)

i komparatora K2

Slika 6.2 Funkcionalna blok šema tajmera 555

Zajednička tačka otpornika R7 i R8 dostupna je preko pina 5. Za spoljašnji priključak 5 do mase se preporučuje vezivanje kondenzatora, kapacitivnosti oko 10nF, kojim se stabilišu referentni naponi komparatora dati izrazima (6.1) i (6.2). Ako se na pin 5 dovede kontrolni napon VX, koji je u granicama 0 < VX < Vcc, pragovi okidanja komparatora postaju VR1 = VX

i

VR2 = VX/2

(6.3)

a vremenski parametri tajmera postaju funkcija upravljačkog napona VX. Tranzistori T15 ― T19 sa otpornicima R10 i R11 formiraju RS leč. Ako je izlaz komparatora K1 visok, S = 1, tranzistor T16 radi u zasićenju, zbog čega je T17 isključen (Vbe17 = Vces16 ≈ 0.1V < Vγ), pa je izlaz leča na visokom nivou Q = 1. Ako je izlaz komparatora K2 na visokom nivou, R = 1, T15 vodi u zasćenju, T16 je zakočen, zbog čega T17 vodi u zasićenju i drži nulu na izlazu leča, Q = 0. Preko pina 4 tj. tranzistora T25 RS leč se direktno setuje, a izlaz tajmera, pin 3, postavlja na nizak nivo. Kada je na pin 4 doveden nizak naponski nivo, tranzistor T25 je provodan, zbog čega T17 i D18 ne vode. Tranzistor T18, čiji se emitorski spoj koristi kao dioda, služi za podizanje praga

VEŽBA 6

INTEGRISANI TAJMER 555

113

uključivanja tranzistora T17. Iz izraza |Vbe25| + V4 < Vbe18 + Vbe17 vidimo da se uslov setovanja leč kola svodi na V4 < Vbe = 0.7V. Ako se pin 4 ne koristi, ostavlja se nepriključen ili se vezuje na napajanje Vcc. Primetimo da direktnim setovanjem RS leča istovremeno na izlaz kola, pin 3, postavljamo nulu, tj. nizak napon, jer se izlaz Q leča koristi kao ulaz invertora realizovanog tranzistorima T20 ― T24 sa totem-pole izlazom. Ako je izlaz leča visok, Q = 1, tranzistori T20 i T24 rade u zasićenju, a T21 i T22 ne vode. Tada je Uiz = VOL = Vces24 = 0.1V, ako je izlazna struja IOL reda 10mA. Izlazna otpornost je Riz = ROL = Rces24 i iznosi do 10Ω. Za Q = 0 tranzistori T20 i T24 ne vode, a izlazni napon visokog nivoa iznosi

U iz = VOH = Vcc − Vbe 21 − Vbe 22 − R12

I OH (1 + β ) 2

(6.4)

Izlazna otpornost je sada

Riz = ROH ≈

R12

β

2

+

VT I OH

(6.5)

i za R12 = 6.8KΩ, β = 50 i IOH = 10mA, dobija se re22 = 26mV/IOH tj. ROH ≈ 5Ω, odnosno u oba stanja na izlazu izlazna otpornost je do desetak oma. Pri napajanju od Vcc = 15V izlazne struje visokog i niskog nivoa mogu da imaju vrednosti do 200 mA. Tranzistor T23, koji je takoe u diodnom spoju, štiti emitorske spojeve tranzistora T21 i T22 od proboja kada je izlazni napon veći od napajanja Vcc, ograničavajući inverzni napon na 0.7V. Do ovoga može doći ako se za napajanje opterećenja koristi napon veći od napona napajanja samog tajmera. Spoljašnji kondenzator C se priključuje na pin 7, a kada je potrebno prazni se kroz kolektor tranzistora T14, kada je izlaz leča Q na visokom nivou. Napon napajanja tajmera se kreće u granicama 5V ≤ Vcc ≤ 18V. Vreme porasta i opadanja izlaznog napona je oko 100 ns.

Slika 6.3 Šmitov triger realizovan tajmerom 555

Ako se pinovi 2 i 6 kratkospoje i na njih dovede ulazni napon tajmer 555 radi kao Šmitov triger. Za Uul = 0V ulazi leča su R = 1 i S = 0, pa je Q = 0. Kada pri rastu ulazni napon dostigne vrednost Uul = VR2 = Vcc/3 dolazi do promene na izlazu komparatora K2 i sada je R = S = 0. Međutim, to ne izaziva promenu na izlazu, gde je i dalje Q = 0. Izlazni napon se menja na Q = 1 tek kada se promeni stanje na izlazu prvog komparatora, na S = 1, što se dešava kada je ulazni napon dostigao vrednost Uul = VR1 = 2Vcc/3 = VTH. Za veće ulazne napone je S = 1, R = 0, Q = 1. Pri opadanju

114

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

ulaznog napona najpre se menja stanje na izlazu prvog komparatora, na S = 0, ali to ne izaziva promene na izlazu kola. Tek za Uul = VR1 = Vcc/3 = VTL postaje R = 1, S = 0, zbog čega se menja izlaz na Q = 0. Prenosna karakteristika ima histerezis jer je napon praga pri pozitivnoj promeni ulaznog napona veći nego pri negativnoj promeni, On iznosi VH = VTH – VTL = Vcc/3. Širina histerezisa se može kontrolisati dovođenjem kontrolnog napona VX na pin 5 i tada je VH = VX/3 kao što je dato izrazom (6.3). Ako se ulazni napon sa Slike 6.3 formira punjenjem i pražnjenjem spoljašnjeg kondenzatora C kolo postaje astabilni multivibrator, što je prikazano na Slici 6.4. S obzirom da se kondenzator puni i prazni preko otpornika R i izlaza tajmera za trajanje kvazistabilnih stanja se dobija

T1 = RC ln

VOL − VTH VOL − VTL

(6.6)

T2 = RC ln

VOH − VTL VOH − VTH

(6.7)

a kako je VOH ≈ Vcc – 2Vbe period osilovanja zavisi od temperature i napona napajanja. Zato se češće koristi drugi tip astabilnog multivibratora, kod koga je vremenski otpornik podeljen na dva dela i povezan, umesto na izlaz kola, na napajanje Vcc. U ovom slučaju pražnjenje kondenzatora se odvija preko tranzistora T14. Na ovaj način je postignuto da trajanje kvazistabilnog perioda T2 ne zavisi od visokog izlaznog nivoa tajmera, koji je zbog zavisnosti od Vbe temperaturno osetljiv. Takođe, kvazistabilni period je skoro neosetljiv na promene napona napajanja, pa je frekvencija izlaznog signala stabilna. Astabilni multivibrator realizovan na ovaj način prikazan je na Slici 6.5.

Slika 6.4 Astabilni multivibrator realizovan tajmerom 555

Velika ulazna otpornost komparatora omogućava da se za R mogu uzimati vrednosti u granicama od nekoliko stotina oma do nekoliko MΩ. C može imati vrednost od stotinak pF do stotinak µF. Pri pražnjenju, od početne vrednosti VTH do VTL, napon na kondenzatoru teži ka Vces, koliko tranzistor T14 drži na pinu 7. Vremenska konstanta pražnjenja određena je samo otpornikom R1. Struju punjenja kondenzatora obezbeuje baterija Vcc, a vremenska konstanta punjenja zavisi is od R1 i od R2, tako da se za trajanje kvazistabilnih stanja dobija

T1 = CR2 ln T2 = C (R1 + R2 ) ln

Vces − VTH V − 2Vcc / 3 = CR2 ln ces ≈ CR2 lv 2 Vces − VTL Vces − Vcc / 3

Vcc − VTL V − Vcc / 3 = C (R1 + R2 ) ln cc ≈ C (R1 + R2 ) ln 2 Vcc − VTH Vcc − 2Vcc / 3

(6.8) (6.9)

VEŽBA 6

INTEGRISANI TAJMER 555

115

Primećujemo da se za odnos trajanja kavazistabilnih stanja dobija

T1 R = 1+ 1 T2 R2

(6.10)

Kolo je nesimetrično i promenom otpornosti R2 menjaju se trajanja oba kvazistabilna perioda. Međutim, ako se paralelno sa R2 postavi i dioda sa anodom ka pinu 7, T2 zavisi samo od R1. Tada se T1 i T2 regulišu nezavisno, pa se može ostvariti T1 > 1 , kao i T1 < 1 . Odnos R2/R1 može da bude T2

T2

regulisan u širokim granicama tako da je generator izrazito nesimetričan. Za R2 = 0 kolo radi, ali izraz (6.8) više ne važi. Dok se kondenzator prazni (Vcc/3 ≤ Uk ≤2Vcc/3) zbog visokog napona na kolektoru tranzistor T14 radi u aktivnoj oblasti a napon na njemu se menja po zakonu 2V ⎤ ⎡ U k (t ) = Vcc − β I b14 R1 − ⎢Vcc − βI b14 R1 − cc ⎥ e −t / τ , 3 ⎦ ⎣

τ = CR1

(6.11)

sve dok se ne spusti na vrednost Uk = VTL = Vcc/3 odakle se dobija

T1 = CR1 ln

Vcc − 3βI b14 R1 2Vcc − 3βI b14 R1

(6.12)

Najčešće je βIb14 >> Vcc/R1, što dozvoljava zanemarivanje struje kroz R1. Tada se napon na kondenzatoru približno linearno smanjuje od početne vrednosti 2Vcc/3, pa se za T1 dobija trajanje

T1 ≈ C

Vcc 3βI b14

(6.13)

Ako bi se umesto otpornika R1 (R2 = 0) koristio strujni generator tajmer 555 bi radio kao naponsko frekventni konvertor.

Slika 6.5 Astabilni multivibrator realizovan tajmerom 555

Kada se tajmer 555 koristi kao monostabilni multivibrator, negativni okidni impulsi se dovode na ulaz 2, a spoljašnji kondenzator se vezuje na pinove 5 i 7, kako je prikazano na Slici 6.6.

116

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

Slika 6.6 Monostabilni multivibrator realizovan tajmerom 555

U stabilnom stanju leč je setovan Q = 1, pa tranzistor T14 radi u zasićenju. Na izlazu 3 tajmera napon je nizak Uiz = Vces24. Kako je V6 = Vces14 < VR1 = 2Vcc/3 i V2 = Vcc < VR2 =Vcc/3 izlazi oba komparatora su na niskom nivou, tj. S = R = 0. Leč ostaje setovan sve do pojave visokog nivoa na njegovom R ulazu. To se dešava kada se na pin 2, ulaz komparatora K2, dovede negativni okidni impuls. Potrebno je da nizak nivo ulaznog impulsa bude manji od Vcc/3 da bi došlo do promene na izlazu komparatora. Pošto se leč resetuje, tranzistor T14 je zakočen, a izlaz tajmera, pin 3, se postavlja na visok nivo. Kondenzator se puni kroz spoljni otpornik R i bateriju Vcc sa početnim naponom Vces = 0.1V U k (t ) = Vcc − [Vcc − Vces14 ]e − t / RC

(6.14)

U toku punjenja kondenzatora ulazni napon na pinu 2 vraća se na visok nivo posle čega je R = 0. Kada se napon na kondenzatoru izjednači sa naponom praga komparatora K1 njegov izlaz prelazi na visok nivo, S = 1, kojim se leč setuje, Q = 1, a na izlazu tajmera se uspostavlja nizak nivo. Na osnovu ovoga se iz izraza (4.14) za trajanje kvazistabilnog stanja dobija

TKS = RC ln

Vcc − Vces ≈ RC ln 3 Vcc − VR1

(6.15)

Izlazni impuls može da se skrati, tj. okonča punjenje kondenzatora pre isteka vremena TKS datog izrazom (6.15), ako se na pin 4 tajmera, direktnog ulaza za setovanje leča, dovede nizak napon. Po završetku kvazistabilnog stanja kondenzator se prazni kroz kolektor provodnog tranzistora T14. Zbog visokog napona na kondenzatoru, T14 radi u aktivnoj oblasti (Vce > Vces), prazneći kondenzator

U k (t ) ≈

2Vcc βI b14 − t C 3

(6.16)

do ulaska u zasićenje, odakle se za vreme pražnjenja dobija

T pr =

2Vcc C 3βI b

(6.17)

Trajanje negativnog impulsa na pinu 2 mora da bude kraće od trajanja kvazistabilnog stanja. Ako to nije slučaj, okidni impulsi se na ulaz tajmera dovode kroz kolo za diferenciranje. Ubacivanjem diode između pinova 7 i 2 monostabilno kolo postaje retrigerabilno. Dioda vodi dok je na ulazu 2 negativan okidni impuls. Ukoliko se novi okidni impuls pojavi za vreme trajanja kvazistabilnog stanja, kroz ovu diodu će se kondenzator prazniti brzo, sa vremenskom konstantom τpr = CRd. Kada se ulaz vrati na visok naponski nivo i dioda se zakoči, dozvoljava se ponovno punjenje kondenzatora, dok je za sve to vreme na izlazu tajmera bio nizak napon, čime je produženo trajanje jedinice izlaznog impulsa. Talasni oblici napona za ovaj slučaj dati su na Slici 6.7.

VEŽBA 6

INTEGRISANI TAJMER 555

117

Slika 6.7 Retrigerabilni monostabilni multivibrator realizovan tajmerom 555

Ako se na pin 5 tajmera dovede kontrolni napon VX, referentni nivoi komparatora su dati izrazom (4.3), a iz izraza (4.14) za trajanje kvazistabilnog stanja se dobija

TKS = RC ln

Vcc Vcc − V X

(6.18)

čime je realizovan impulsno širinski modulator. Da veza izmeu trajanja kvazistabilnog stanja i kontrolnog napona VX ne bi bila nelinearna (izraz (6.18)), umesto otpornika R se koristi strujni izvor I0. U tom slučaju napon na kondenzatoru raste linearno

U k (t ) = Vces +

I0 I t≈ 0t C C

(6.19)

dok ne dostigne napon praga Uk(TKS) = VR1 = VX, odakle se dobija TKS =

C VX I0

(6.20)

tj. širina impulsa je direktno srazmerna kontrolnom naponu VX.

VEŽBA 6

INTEGRISANI TAJMER 555

119

Uputstvo za rad I Simulacija kola pomoću PSPICE-a 1

ASTABILNI MULTIVIBRATOR

1.1 U programu Schematics otvoriti fajl sa električnom šemom astabilnog multivibratora realizovanog pomoću integrisanog tajmera LM555, 555_amvb.sch, koji se nalazi u direktorijumu C:\msim\dik_lab\v6_555 (C:\msim\dik_lab\v6_555\555_amvb.sch). Postaviti parametre kola i parametre simulacije u vremenskom domenu (Analysis -> Setup -> Transient...). Parametri kola su: R1 = R2 = 10K, R4 = 10K, C1 = C2 = 10n IC1 = 0V (početni uslov) Parametri simulacije su: Print Step = 20ns Final Time = 2ms No-Print Delay = 0.5ms 1.2 Iz programa Schematics pokrenuti simulaciju (Analysis->Run PSpice ili F11). 1.3 U programu Probe snimiti talasne oblike napona na kondenzatoru (V(C)) i izlazu kola (V(Viz)).

1.4 Promeniti vrednost otpornika R1 na 20K. Kako utiče promena ovog otpornika na trajanje kvazi-stabilnih stanja.

1.5 Izvesti izraz za trajanje kvazi-stabilnih stanja. Da li se može podesiti da trajanja kvazi-stabilnih stanja budu jednaka.

2

GENERATOR SIGNALA SA ODNOSOM SIGNAL/PAUZA 1:1

2.1 U programu Schematics otvoriti fajl sa električnom šemom generatora signala sa odnosom signal/pauza 1:1, gensig11.sch, koji se nalazi u direktorijumu C:\msim\dik_lab\v6_555. Postaviti parametre kola i parametre simulacije u vremenskom domenu. Parametri kola su: R1 = 4.3K, R2 = 10K, R4 = 10K, C1 = C2 = 10n IC1 = 0V (početni uslov)

120

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

Parametri simulacije su: Print Step = 20ns Final Time = 2ms No-Print Delay = 0.5ms 2.2 Iz programa Schematics pokrenuti simulaciju (PSpice), a u programu Probe se uveriti da je odnos signal/pauza 1:1 (napon V(Viz)). 2.3 Ako se zna da je vreme trajanja impulsa dato izrazom T1 = R1Cln2, a trajanje pauze izrazom R R R − 2 R2 T2 = 2 1 C ln 1 , uveriti se da važi približna jednakost T1=T2. R2 + R1 2 R1 − R2 3

MONOSTABILNI MULTIVIBRATOR

3.1 U programu Schematics otvoriti fajl sa električnom šemom monostabilnog multivibratora realizovanog na bazi tajmera LM555, 555_mmvb.sch, koji se nalazi u direktorijumu C:\msim\dik_lab\v6_555. Postaviti parametre kola i parametre simulacije u vremenskom domenu. Parametri kola: R1 = 10K, C1 = C2 = 10n Parametri generatora okidnih impulsa: TRIGGER: v1=0V, v2=5V, td=10us, pw=490us, per=500us Parametri simulacije su: Print Step = 20ns Final Time = 2ms 3.2 Iz programa Schematics pokrenuti simulaciju (PSpice), a u programu Probe snimiti talasne oblike napona impulsnog generatora, na izlazu kola (V(Viz)) i na kondenzatoru (V(C)).

3.3 Smanjiti periodu okidnih impulsa iz prethodne tačke na T=50us (f=20KHz). To obaviti izmenom parametara generatora TRIGGER: td = 1us, pw = 49us, per = 50us. Ponoviti simulaciju i ponovo posmatrati talasne oblike napona impulsnog generatora, napona na izlazu i na kondenzatoru. Šta se uočava? Odrediti odnos deljenja kola.

VEŽBA 6

INTEGRISANI TAJMER 555

121

3.4 Izvesti izraz za trajanje kvazi-stabilnog stanja.

4

IMPULSNO ŠIRINSKI MODULATOR

4.1 U programu Schematics otvoriti fajl sa električnom šemom impulsno-širinskog modulatora realizovanog na bazi tajmera LM555, 555_pwm.sch, koji se nalazi u direktorijumu C:\msim\dik_lab\v6_555. Postaviti parametre kola i parametre simulacije u vremenskom domenu. Parametri kola su: R1 = 10K, C1 = 10n Parametri generatora okidnih impulsa su: TRIGGER: v1=0V, v2=5V, td=5us, pw=250us, per=300us Vin: voff = 2V, vampl = 2.5V, freq = 400Hz Parametri simulacije su: Print Step = 20ns Final Time = 2.5ms 4.2 Iz programa Schematics pokrenuti simulaciju (PSpice), a u programu Probe snimiti talasne oblike napona impulsnog generatora, na izlazu kola (V(Viz)) i na kondenzatoru (V(C)).

122

5

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

IMPULSNO POLOŽAJNI MODULATOR

5.1 U programu Schematics otvoriti fajl sa električnom šemom impulsno položajnog modulatora realizovanog na bazi tajmera LM555, 555_ppm.sch, koji se nalazi u direktorijumu C:\msim\dik_lab\v6_555. Postaviti parametre kola i parametre simulacije u vremenskom domenu. Parametri kola: R1 = 10K, R3 = 3K, C1 = 10n Parametri generatora okidnih impulsa: Vul: t1 = 0, v1=0V, t2 = 2.5ms, v2=5V, t3=5ms, v3 = 0V Parametri simulacije su: Print Step = 20ns Final Time = 5ms 5.2 Iz programa Schematics pokrenuti simulaciju (PSpice), a u programu Probe snimiti talasne oblike napona impulsnog generatora, na izlazu kola (V(Viz)) i na kondenzatoru (V(C)).

VEŽBA 6

INTEGRISANI TAJMER 555

II Snimanje talasnih oblika pomoću osciloskopa

6

ASTABILNI MULTIVIBRATOR

6.1 Sačiniti kolo sa sledeće slike. 6.2 Snimiti talasne oblike napona na kondenzatoru C i pinu 3.

7

GENERATOR SIGNALA SA ODNOSOM SIGNAL/PAUZA 1:1

7.1 Sačiniti kolo sa sledeće slike.

7.2 Uveriti se da kolo generiše pravougaone impulse na izlazu sa odnosom signal/pauza 1:1.

123

124

8

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

MONOSTABILNI MULTIVIBRATOR

8.1 Sačiniti šemu monostabilnog multivibratora prema sledećoj slici

8.2 Na ulaz 2 dovesti pozitivne okidne impulse frekvencije 2KHz. Snimiti talasne oblike napona na izlazu multivibratora i na kondenzatoru C.

8.3 Smanjiti periodu okidnih impulsa iz prethodne tačke na T=50[Trial mode]s (f=20KHz). Posmatrati na osciloskopu talasne oblike napona impulsa i napona na izlazu i odrediti odnos deljenja kola.

VEŽBA 6

9

INTEGRISANI TAJMER 555

125

IMPULSNO ŠIRINSKI MODULATOR

9.1 Sačiniti šemu modulatora prema sledećoj slici 9.2 Na ulaz 5 iz generatora dovesti prostoperiodični napon frekvencije f=65Hz amplitude U=5Vpp, a na ulaz 2 okidne impulse T=0.6ms (f=1.67 KHz). Skicirati talasne oblike napona na izlazu.

10 IMPULSNO POLOŽAJNI MODULATOR

10.1 Sačiniti šemu modulatora prema sledećoj slici 10.2 Na pin 5 (control voltage) dovesti signal testerastog oblika iz generatora, frekvencije f=200Hz amplitude U=5Vpp i snimiti talasne oblike napona na izlazu.

126

DIGITALNA INTEGRISANA KOLA – PRAKTIKUM ZA LABORATORIJSKE VEŽBE

Student:

Overio:

Datum:

Ocena: