Praktikum Elektronik

Fakultät Elektrotechnik Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden University of Applied Sciences Friedrich-List-Platz 1, 01069 Dresden ~ PF 120701 ~ 01008 Dresden ~ Tel.(0351) 462 2437 ~ Fax (0351) 462 2193 Praktikum Elektronik Versuch Inverter-Schaltungen 1 Allgemeine Hinweise Die Aufgaben zur Versuchsvorbereitung sind von jedem Studenten selbst als Hausaufgaben schriftlich auszuführen und dem gemeinsamen Protokoll der Versuchsgruppe beizufügen. Sie werden in die Bewertung des Versuches einbezogen. Ebenso zur Vorbereitung des Praktikums gehört, sich über alle Versuchsaufgaben zu informieren und diese, soweit das möglich ist, theoretisch vorzubereiten (Formeln, Diagramme, Tabellen, Literatur). Jede Praktikumsgruppe fertigt ein Protokoll an, welches innerhalb von 2 Wochen abzugeben ist (spätestens zu Semesterende). 2 Vorbereitungsaufgaben 2.1 Skizzieren Sie die Ausgangskennlinienfelder für a) npn-bipolar-transistor und b) n-kanal-enhancement-fet und zeichnen Sie die Arbeitsgeraden für R C bzw. R D ein. Markieren Sie jeweils die Arbeitspunkte für R on und R off der Transistoren. Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen den Spannungen in den Arbeitspunkten und den Ein-/Ausgangs- High-/Low- Pegeln der entsprechenden Invertergrundschaltungen. 2.2 Berechnen Sie allgemein den zeitlichen Verlauf der Spannung über einem Kondensator bei Ladung über einen Vorwiderstand aus einer konstanten Spannung. 2.3 Erläutern Sie den Begriff Zeitkonstante. Wie kann die Zeitkonstante einer RC- Kombination oszillographisch bestimmt werden? (Skizze!) 2.4 Wie ist die Anstiegs- und Abfallzeit eines Gatters definiert? (Eintragen in Skizze von 2.3) 2.5 Erläutern Sie den Begriff statischer Störspannungsabstand. Stellen Sie die Verhältnisse allgemein und für eine aus der Vorlesung frei gewählte Schaltkreisfamilie graphisch dar. 2.6 Stellen Sie tabellarisch Verzögerungszeiten, Leistungsaufnahmen und Ausgangslastfaktoren verschiedener Schaltkreisfamilien gegenüber. Unterscheiden Sie zwischen Standard-Gattern und Leistungs-Treibern. 2.7 Worin unterscheiden sich Gatter auf Basis bipolarer Bauelemente von CMOS-Gattern bezüglich der Leistungsaufnahme (s.vorlesung Verlustleistungs Geschwindigkeitssproblem )? 2.8 Wie ist der Pull-Up-Widerstand einer Open-Collector-Stufe zu dimensionieren? Berücksichtigen Sie dabei ggfs. nachfolgende Schaltungen. D²/2016-08 Praktikum Elektronik Versuch Inverter-Schaltungen Seite 1

3 Versuchsaufgaben Hinweis: In den Versuchsschaltungen sind die Gesamtkapazitäten gegenüber den in der Praxis üblichen Werten etwa um den Faktor 10³ größer gewählt worden, um die Bestimmung von t r und t f mit einfacher Messtechnik zu ermöglichen. 3.1 Bipolar-Transistor-Inverter (BT-Inv 1) U CC = 5 V max. 100mA R C = 1 kω U out U in R 1 = 20 kω 2N3704 C L1 = 10 nf C L2 = 100 nf R L1 = 4,7 kω R L2 = 47 kω 3.1.1 Statisches Verhalten Hinweis: Entnehmen Sie die Eingangsspannung U in dem am Platz bereitgestellten Potentiometer! 3.1.1.1 Bestimmen Sie die statischen worst-case-störabstände S H und S L für a) R L b) R L = 4,7 kω durch Aufnehmen der Spannungs-Übertragungs-Kennlinie (SÜK) 3.1.1.2 a) Bestimmen Sie möglichst genau den R on des Transistors bei U in = 5 V b) Schätzen Sie den R off des Transistors bei U in = 0 V aus Ihren Messwerten ab Hinweis: Beachten Sie bei der Messung den Eingangswiderstand des Multimeters (als möglicher Messfehler)! D²/2016-08 Praktikum Elektronik Versuch Inverter-Schaltungen Seite 2

3.1.2 Dynamisches Verhalten Hinweis für alle nun folgenden dynamischen Untersuchungen: Als Eingangssignal benötigen Sie einen zwischen den beiden Werten 0V und 5 V wechselnden Pegel. Stellen Sie hierzu den Funktionsgenerator so ein, dass er ein Rechtecksignal mit U min = 0V und U max = 5V erzeugt (d.h. U PP =5V mit Offset U Offset =2,5V). Prüfen Sie die Einstellung mittels Oszi bevor Sie das Signal an die Eingänge der Gatter legen! Nutzen Sie die Möglichkeiten der Triggerung auf die steigende bzw. fallende Flanke zur Visualisierung beider Flanken. Verwenden Sie DC-Kopplung. a) Berechnen Sie t r (C L = 100 nf ) b) Berechnen Sie t f für den Fall der Entladung des C L über den in 3.1.1.2 ermittelten R on. c) Überprüfen Sie Ihre Ergebnisse durch Messungen (f = 1 khz). Skizzieren Sie den Verlauf von U out (t). Erklären Sie das unterschiedliche Verhalten der beiden Flanken (e-funktion/gerade)! Hinweis: Beachten sie die Ausgangskennlinie des Transistors! D²/2016-08 Praktikum Elektronik Versuch Inverter-Schaltungen Seite 3

3.2 Bipolar-Transistor-Inverter (BT-Inv 2) U CC = 5 V max. 100mA R 1 = 4,3 kω R C = 1 kω T 1 U out U in 2N3704 2N3704 T 2 C L1 = 10 nf C L2 = 100 nf R L2 = 47 kω R L1 = 4,7 kω Statisches Verhalten: Stellen Sie sich vor, dass der Eingang des Inverters an einem Open-Collector-Ausgang (ohne externen Pull-Up-Widerstand) eines Gatters liegt. a) Messen Sie U in und U out für den Fall, dass der Ausgangswiderstand der Open- Collector- Stufe R TOC R off (R TOC )geht. Bewerten Sie das Ergebnis hinsichtlich der logischen Funktion der Gatter. b) Messen Sie U out und U in in Abhängigkeit von R TOC (Emulieren Sie den Open- Collector- Ausgang durch einen variablen Widerstand am Inverter-Eingang) U out U in U out U in R TOC D²/2016-08 Praktikum Elektronik Versuch Inverter-Schaltungen Seite 4

3.3 Standardgatter in TTL -Technologie Hinweis: Die Messungen werden an Schaltkreisen mit je 6 Invertern vorgenommen. TTL-Schaltkreis: z.b. SN7404, D104,( DL004) Eing. 1 Ausg. Invertergatter Pin-Belegung siehe Anhang 3.3.1 statisches Verhalten: Nehmen Sie die Spannungs-Übertragungs-Kennlinie eines unbelasteten TTL-Gatters auf. 3.3.2 dynamisches Verhalten: Schalten Sie 6 Gatter in Reihe und ermitteln Sie mit Hilfe des Oszilloskops die mittleren Gatterlaufzeiten pro Gatter. 3.3.3 Bestimmen Sie den mittleren Stromverbrauch des Schaltkreises bzw. der gesamten Baugruppe (Messgerät in Betriebsspannungszuführung, Funktion: 6 Gatter in Reihe) in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz (f Gen = 50 khz... 500kHz). D²/2016-08 Praktikum Elektronik Versuch Inverter-Schaltungen Seite 5

3.4 CMOS - Inverter U DD = 5 V max. 100mA R * 2 = 100 Ω U in T 1 BSS 92 (p-kanal- Enhancement) U out T 2 BSS 89 (n-kanal- Enhancement) 47 kω C L1 = 10 nf R * 1 = 100 Ω C L2 = 100 nf R L1 = 4,7 kω R L2 = 47 kω Hinweise: 1. Die verwendeten MOS-Transistoren besitzen ein sehr großes W/L-Verhältnis (R on relativ klein). Um den Einfluss von R on auf t f nachweisen zu können, wird R on durch R* 1/2 künstlich vergrößert. 2. Die Widerstände R * 1 und R * 2 begrenzen den statischen Querstrom im Übergangsbereich R on R off. Sie können in ihrer Wirkung als minimaler R on betrachtet werden. D²/2016-08 Praktikum Elektronik Versuch Inverter-Schaltungen Seite 6

3.4.1 Statisches Verhalten 3.4.1.1 Nehmen Sie die SÜK des unbelasteten CMOS-Inverters (R L, C L 0) auf (R * 1 = R * 2 = 100 Ω). Vergleichen Sie die SÜK mit den bisher ermittelten Kennlinien. 3.4.1.2 Nehmen Sie den Stromverlauf I DD = f(u in ) für R L auf (R * 1 = R * 2 = 100 Ω) 3.4.2 Dynamisches Verhalten 3.4.2.1 Untersuchen Sie den Einfluss von C L auf U out (t) für R L (für R * 1 = R * 2 = 0 Ω) a) C L = 0 F b) C L = 10 nf c) C L = 100 nf Skizzen: 3.4.2.2 Oszillografieren Sie den Stromverlauf durch den pull-up-zweig für obige Varianten (für R * 1 = 0 Ω R * 2 = 100 Ω). Hinweis: Beachten Sie dabei die Notwendigkeit der Massefreiheit des Oszis. Hier darf also nur einkanalig gemessen werden. Vergessen Sie nicht, auf den verwendeten Kanal zu triggern! 3.4.2.3 Bestimmen Sie den mittleren Stromverbrauch der Schaltung in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz f Gen = 10 200 khz. Erklären Sie den Kurvenverlauf. (R * 1 = R * 2 = 0 Ω, R L, C L = 100 nf) 3.5 Standardgatter in CMOS-Technologie Hinweis: Die Messungen werden analog der Aufgabe 3.3 an Schaltkreisen mit je 6 Invertern vorgenommen. CMOS-Schaltkreis: z.b. 74HCT04, 74HC04 Eing. 3.5.1 bis 3.5.3 Wiederholen Sie die Aufgaben 3.3 jeweils mit CMOS-Gattern. 1 Ausg. Invertergatter Pinbelegung siehe Anhang D²/2016-08 Praktikum Elektronik Versuch Inverter-Schaltungen Seite 7

4 Anhang: Auszüge aus Datenblättern D²/2016-08 Praktikum Elektronik Versuch Inverter-Schaltungen Seite 8

D²/2016-08 Praktikum Elektronik Versuch Inverter-Schaltungen Seite 9

Pinbelegung D²/2016-08 Praktikum Elektronik Versuch Inverter-Schaltungen Seite 10