Versuch 1: Lösung

Digitaltechnik Praktikum 1.Sem. IIIB 1 ETHZ D-ITET Institut für Elektronik
Versuch 1: Lösung
CMOS Welt
Achtung: alle folgenden Oszillogramme wurden mit einem Digital KO Tektronix
TDS220 aufgenommen, sie können deshalb von den Darstellungen auf den KOs
im Praktikum etwas abweichen.
Vorbereitung auf den Praktikumsnachmittag zum Ringoszillator:
1. Wie wird die Verzögerungszeit tpd aus der Periode T der Schwingung
berechnet? (Annahme: alle Inverter haben die gleiche Verzögerungszeit)
tpd = T / 10
Jede Signalflanke (steigend oder fallend) muss den geschlossenen Kreis 2 mal
durchlaufen bis wieder der gleiche Signalzustand erreicht ist. 2x5 tpd ergeben damit die
Periode der Schwingung.
2. Wie wird der Betriebsstrom Idd1 eines Inverters aus dem Betriebsstrom Idd
des ICs berechnet?
Idd1 = Idd / 6
Zusätzlich zu den 5 Invertern im Oszillatorkreis schaltet auch der 6. Inverter zur
Abnahme des Signals mit der gleichen Frequenz (5 gilt auch als richtig).
Experimentell zu lösende Aufgaben am Praktikumsnachmittag
CMOS Inverter
3,4. Stellen Sie die Übertragungskennlinie (Uo = f(Ui) eines Inverters 74HCU04
im XY Modus auf dem KO dar (Versuchsschaltung A
0V Ui
+5V
+5V
U thn
+0.9V
Uo
0V
15mA
U thp
-0.9V
Iq
0mA
74HCU04, Transferkennlinie und Querstrom
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5,6. Stellen Sie den Verlauf des Querstromes Iq des gleichen Inverters in
Funktion der Eingangsspannung Ui im XY Modus auf dem KO dar
Messen Sie auf dem KO den Spitzenwert des Querstromes.
7. Iqpeak = ca 15mA
8,9. Stellen Sie die Übertragungskennlinie (Uo = f(Ui) eines Inverters 74HC04 im
XY Modus auf dem KO dar (Versuchsschaltung B).
10,11. Stellen Sie die Übertragungskennlinie (Uo = f(Ui) von drei hintereinander
(in Serie) geschalteten Invertern 74HCU04 im XY Modus auf dem KO dar
(Versuchsschaltung C).
a) 74HC04 b) 3 x 74HCU04 in Serie
12. Vergleichen Sie diese Übertragungskennlinie mit derjenigen eines Inverters
74HC04. Was fällt Ihnen dabei auf und was schliessen Sie daraus?
Beide Kennlinien sind qualitativ identisch. Daraus kann der Schluss gezogen
werden, dass der 74HC04 Inverter bereits intern aus drei hintereinander
geschalteten einfachen Invertern (wie 74HCU) aufgebaut ist.
Bei allen HC –Bausteinen wird jeder Ausgang durch eine Serieschaltung von
mindestens 2 Invertern gepuffert. Dadurch wird eine höhere Ausgangsleistung
ohne Verlust an Geschwindigkeit erreicht.
Ringoszillator
Die Lösungen der Aufgaben 13, 14 und 15 sind in der folgenden Tabelle
zusammengestellt:
13. Messen Sie die Schwingfrequenz fo und den Betriebsstrom Idd des
Ringoszillators in der Versuchsschaltung D für die Betriebsspannungen:
Udd = 5V, 3V, 2V, 1.5V, 1.2V, 1V. Messwertein Tabelle eintragen.
14. Bestimmen Sie die minimale Betriebsspannung bei welcher der Oszillator
gerade noch einwandfrei schwingt und messen Sie wieder Betriebsstrom und
Schwingfrequenz. Die Messwerte auf dem Lösungsblatt eintragen.
Uddmin = ca 0.7 V
Bei noch tieferen Spannunge schwingt der Oszillator zwar auch noch, aber nicht mehr
sauber im Sinne des Erfinders (Subthreshold Betrieb der FETs).
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15. Berechnen Sie für alle Betriebsspannungen die Verlustleistungskapazität
Cpd1 eines Inverters. Vergleichen Sie die gefundenen Werte miteinander.
Vereinfachte Herleitung des Zusammenhangs zwischen Cpd, f, Ppd:
In einer digitalen CMOS Schaltungng wird dominat Energie zum Aufladen von Kapazitäten
(Gate-source C der FETs, Leitungen) von 0V (GND) auf Udd (z.B. +5V) verbraucht.
Wir nehmen vereinfachend (tatsächlich beweisbar zulässig) an, dass die Kapazität Cpd
mit konstantem Strom Idd aufgeladen wird. Dann gilt Uc = t Idd / C . Mit Uc = Udd folgt
daraus t = C Udd / Idd und die verbrauchte Energie (für eine Aufladung) wird E1 = Udd
Idd t = C Udd Udd. Wenn die Umladung mit der Frequenz f erfolgt ergibt sich für die
Verlustleistung Pv die Beziehung Pv = f E1 = f C Udd 2 . (Auch der Einfluss des
Querstroms beim Umschalten ist in Cpd berücksichtigt.)
Udd 5 3 2 1.5 1.2 1 0.7 V
Idd 13.5 4.1 1.2 0.4 0.12 0.03 0.0001 mA
f 21 12.1 5.7 2.6 1 0.31 0.0014 MHz
T 0.0476 0.0826 0.175 0.384 1 3.22 714 us
Cpd1 21.4 18.8 17.5 17.1 16.7 16.1 17 pF
Die bei allen Betriebsspannungen berechneten Werte für Cpd1 sind in erster Linie
gleich und entsprechen recht gut dem Wert aus dem Datenblatt von typisch 20pF:
Cpd ist unabhängig von der Betriebsspannung Udd. Bei 5V werden von den
Studierenden fast durchwegs deutlich zu hohe Werte gemessen, deshalb entfällt
diese Spannung ab HS09 auf dem Lösungsblatt (dU am Shunt im I-Messpfad).
Das Ausgangssignal des Ringoszillators für verschiedene Betriebsspannungen ist
in den folgenden Oszillogrammen zur Ergänzung dargestellt (keine Aufgabe).
Ausgangssignal des Ringoszillators, gemessen mit Digital-KO Tektronix TDS220
a) Vdd = 5V, b) Vdd = 2V, c) Vdd = 1V, d) Vdd = 0.7V (minimal Spannung)
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Chaos in der IC-Fabrik
Vorbereitung auf den Praktikumsnachmittag:
16. Überlegen Sie wie in der Testschaltung bestimmt werden kann, ob an einem
Pin ein Ausgang oder Eingang eines Tores angeschlossen ist. Begründen
Sie Ihre Überlegung
Ausgang: Das Signal am Pin (L oder H) ändert sich nicht wenn der Widerstand
zwischen 0V und +5V umgeschaltet wird.
Das Signal am Ausgang eines Tores hängt nur von den Signalen an den Eingängen ab
und nicht von der Beschaltung des Ausgangs. Dies gilt allerdings nur in gewissen
Grenzen, die mit der sehr schwachen Belastung durch 100kΩ nicht entfernt angetastet
werden. Der in erster Linie massgebende Innenwiderstand des CMOS-Ausganges beträgt
weniger als 1kΩ (leitender CMOS-Transistor-Schalter nach Vss bei Ausgang L bzw. nach
Vcc bei Ausgang H).
Eingang: Das Signal am Pin ändert sich beim Umschalten des Widerstandes
zwischen 0V und +5V entsprechend.
Der Eingang eines CMOS-Tores ist sehr hochohmig (Bereich GΩ), es kann kein Strom
durch den Widerstand (100kΩ) fliessen und folglich auch an diesem keine Spannung
abfallen. Die Spannung am Pin folgt deshalb der Spannung am anderen Ende des
Widerstandes (0V oder +5V je nach Schalterstellung).
Achtung: Bei direkter Messung der Eingangsspannung mit dem KO (ohne 10:1 Sonde)
bildet der Eingangswiderstand von 1MΩ des KOs mit dem Pin-Anschlusswiderstand von
100kΩ einen Spannungsteiler, sodass das H-Eingangssignal (Pin-Widerstand an +5V) nur
ca 4.5V beträgt!
17. Überlegen Sie wie mit möglichst wenigen Messungen die in einem IC
vorhandene Anordnung der Tore bestimmt werden kann. Zeichnen
Flussdiagramm für das Vorgehen auf.
Holzhammer Methode:
Für jeden der 12 (Signal-) Pins messen ob es ein Eingang oder Ausgang ist. Ein
Vergleich des Resultates mit der Figur führt zur vorhandenen Anordnung. Es sind
24 Messungen notwendig. (1.Pin Messung, Pin-Schalter umlegen, 2. Pin
Messung, nächster Pin usw.)
Ingenieur Methode:
Schon ein kurzer Blick auf die in der Figur 1 dargestellten 5 möglichen Anordnungen
zeigt, dass das Vorhandensein eines Ausganges an gewissen Pins
bereits eindeutig auf eine bestimmte Anordnung schliessen lässt. Dies wird restlos
deutlich, wenn mann die Zurdnung der Ausgänge für alle möglichen Anordnungen
zu den Pins in einer Tabelle darstellt (Tabelle 2).
Einen Ausgang auf Pin 9 hat nur die Anordnung 5.
Einen Ausgang auf Pin 12 hat nur die Anordnung 4.
Einen Ausgang auf Pin 13 hat nur die Anordnung 3.
Nachdem die Anordnungen 3, 4 und 5 bereits bestimmt sind, ist
ein Ausgang auf Pin 10 nur noch mit der Anordnung 2,
ein Ausgang auf Pin 8 nur noch mit der Anordnung 1 möglich.
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Es sind nur noch 4 Messungen notwendig (auf die 5. Messung kann verzichtet
werden, da zwangsweise die Anordnung 1 vorliegen muss).
Hinweis: Bei gleichem Aufwand sind verschiedene Vorgehensweisen möglich.
1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13
Anordnung 1 o o o o
Anordnung 2 o o o o
Anordnung 3 o o o o
Anordnung 4 o o o
Anordnung 5 o o o
Belegung der Pins mit Ausgängen
Input or Output
O
Pin 9 ?
I
Layout 5
O
Pin 12 ?
I
Layout 4
O
Pin 13 ?
I
Layout 3
O
Pin 10 ?
I
Layout 2
Layout 1
Flussdiagramm zur Bestimmung der Anordnung der Tore im IC.
Es sind maximal 8 Messungen notwendig.
1. Messung an Pin 9, Schalter Pin9 umlegen, 2.Messung, anderer Messwert (9 = Input),
3. Messung an Pin 12, Schalter Pin12 umlegen, 4.Messung, anderer Messwert (12 = Input),
5. Messung an Pin 13 ..... usw.
(Achtung: Es existiert noch eine bessere Lösung mit maximal nur 6 Messungen, von
Studenten und Assistenten gefunden!)
18. Überlegen Sie wie nach gefundener Anordnung die Art der Tore im IC
bestimmt werden kann (alle Tore in einem IC sind identisch). Beschreiben
Sie Ihr Vorgehen wieder mit einem Flussdiagramm. Es sollen wieder
möglichst wenige Messungen notwendig sein.
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Holzhammer Methode:
Vollständige Wahrheitstabelle für ein Tor im IC bestimmen und daraus die Art des
Tores ableiten.
Für die Tore mit 3 Eingängen sind 8 Messungen notwendig. Für jede der 2 3 = 8
möglichen Kombinationen muss der zugehörige Wert des Ausgangs bestimmt
werden.
Für die Tore mit 2 Eingängen sind 4 Messungen notwendig (2 2 = 4).
Ingenieur Methode:
Mit etwas Überlegung geht es mit weniger Aufwand.
Tore mit 3 Eingängen:
Es sind maximal 2 Messungen notwendig.
Für die Tore mit 3 Eingängen (nur AND, OR, NAND, NOR möglich) . Das
Vorgehen ist im folgenden Flussdiagramm dargestellt.
3 Inputs H
L
Output ?
H
NAND / NOR
AND / OR
1 Input L 1 Input L
L
Output ?
H
L
Output ?
H
NOR
NAND
AND
OR
Flussdiagramm zur Bestimmung der Art der Tore mit 3 Eingängen
Tore mit 2 Eingängen:
Es sind maximal 3 Messungen notwendig.
Für die Tore mit 2 Eingängen sind maximal 3 Messungen notwendig um zwischen
EXOR und NAND unterscheiden zu können. AND, OR und NOR sind nach 2
Messungen erkannt, für die Unterscheidung zwischen NAND und EXOR ist eine
dritte Messung notwendig.Das Vorgehen ist im folgenden Flussdiagramm
dargestellt.
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2 Inputs H
L
Output ?
H
NAND / NOR / EXOR
AND / OR
1 Input L 1 Input L
L
Output ?
H
L
Output ?
H
NOR
NAND / EXOR
AND
OR
2 Inputs L
L
Output ?
H
EXOR
NAND
Flussdiagramm zur Bestimmung der Art der Tore mit 2 Eingängen
Praktisch zu lösende Aufgaben am Praktikumsnachmittag:
19. Bestimmen sie für jeden der drei ICs die Anordnung (Layout) der Tore im
IC (1, 2, 3, 4 oder 5 gemäss Bild), und die Art der Tore. Tragen Sie Ihre
Erkenntnisse in der Tabelle auf dem Lösungsblatt ein.
Die Lösungstabelle ist aus wohl verständlichen Gründen in der Studentenausgabe
der Musterlösung nicht enthalten
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