. KLUZE DWUKIERUNKOWE, MULTIPLEKSERY I DEMULTIPLEKSERY MOS.. EL ĆWIZENIA elem ćwiczenia jest poznanie podstawowych charakterystyk kluczy dwukierunkowych oraz głównych właściwości multipleksera i demultipleksera wykonanych w technice MOS... KLUZE DWUKIERUNKOWE MOS... dwukierunkowy MY 76N W ramach serii MY 7/6 produkowane są układy scalone MY 76N zawierające cztery dwukierunkowe klucze MOS. Schemat ideowy jednego klucza został przedstawiony na rysunku., natomiast schemat blokowy układu MY 76N na rysunku.. Jeżeli na wejście sterujące IS i, gdzie i=,,,, podamy sygnał odpowiadający zeru logicznemu, to klucz jest wyłączony. W przeciwnym wypadku, gdy IS i posiada stan odpowiadający jedynce logicznej, klucz jest włączony. O/I IS T n T p I/O Rys... Schemat ideowy jednego klucza układu MY 76N 66
IS I/O O/I IS I/O 5 O/I IS I/O 6 8 9 O/I IS I/O O/I Rys... Schemat blokowy układu MY 76N W stanie na wejściu sterującym IS układu napięcie U G bramki tranzystora T jest równe napięciu, a napięcie bramki tranzystora T: U G =. Obydwa tranzystory są zablokowane i klucz jest wyłączony. Przy stanie na wejściu sterującym napięcia bramek się zmieniają: U G =, a U G =. jest włączony. W zależności od poziomu napięcia wejściowego przewodzą obydwa tranzystory lub tylko jeden z nich. W tym stanie klucz pracuje poprawnie wówczas, gdy napięcie wejściowe spełnia warunek: U I. Właściwości statyczne układu MY 76N można przedstawić w postaci odpowiednich charakterystyk. Podstawową charakterystyką jest zależność napięcia wyjściowego U O od napięcia wejściowego U I przy różnych obciążeniach. Schemat pomiarowy układu oraz charakterystykę U O = f (U I ) przy zasilaniu niesymetrycznym = 5 V, = V przedstawiono na rysunku.. Układ MY 76N można również scharakteryzować za pomocą zależności tłumienności klucza wyłączonego od częstotliwości f I sygnału wejściowego. Schemat układu pomiarowego oraz przykładowe charakterystyki zawarto na rysunku.. 67
a) U O [V],5 T A =+5 o = kω kω, kω 7,5 5,,5 b),5 5, 7,5,,5 5, 7,5 U I [V] U I n U S = p U O Rys... dwukierunkowy MY 76N: a) typowe charakterystyki U O =f(u I ) dla = +5 V; = V, b) schemat pomiarowy charakterystyki U O = f(u I ) Dla układu MY 76N istotna jest również amplitudowo-- częstotliwościowa charakterystyka przenoszenia przedstawiona na rysunku.5b. 68
U O [mv] 5 b) R= L = kω kω kω kω L OF [db] 7 5 kω kω 9,5 5 5 5, 6 8 6 8 6 8 6 8 6 8 f I [MHz] Rys... Zależność tłumienności klucza wyłączonego od częstotliwości sygnału wejściowego: schemat pomiarowy, b) przykładowe charakterystyki a) b) IO =,8pF p UI U o n U S = Rys..5. Amplitudowo-częstotliwościowa charakterystyka przenoszenia układu MY 76N: a) schemat pomiarowy, b) przykładowe charakterystyki 69
... Dwukierunkowy klucz analogowo-cyfrowy MY 766N W serii MY 7/6 N produkowany jest także układ scalony MY 766N, zawierający cztery niezależne, dwukierunkowe klucze analogowo-cyfrowe MOS o zmiennej rezystancji przejściowej. Jego schemat blokowy został przedstawiony na rysunku.6, natomiast na rysunku.7 pokazano schemat ideowy jednego klucza. IS I/O O/I UDD- USS-7 IS I/O 5 O/I IS I/O 6 8 9 O/I IS I/O O/I Rys..6. Schemat blokowy układu MY 766N W stanie na wejściu sterującym IS układu tranzystory T, T oraz T, T są wyłączone. Tranzystor T jest blokowany napięciem podawanym na jego podłoże przez przewodzący tranzystor T5. Dzięki takiemu rozwiązaniu uzyskuje się zmniejszenie pojemności sprzęgającej wejście z wyjściem przy wyłączonym kluczu. Zwiększa się więc tłumienność przesłuchu - w stanie wyłączenia tranzystora T oraz T. 7
W stanie na wejściu sterującym tranzystory T, T oraz T, T są włączone, a tranzystor T5 jest zablokowany. Podłoże tranzystora T łączy się za pomocą tranzystora T, T z wejściem I/O układu. Wówczas napięcie źródło-podłoże tranzystora T jest równe w przybliżeniu V, co powoduje zmniejszenie napięcia progowego tranzystora. Przy małych wartościach napięcia wejściowego układu U I V napięcie U GS (źródło-bramka) obydwu tranzystorów jest niewiele większe od napięcia progowego, tj. od U TN dla tranzystora T oraz od U TP dla tranzystora T. Dzięki temu rezystancja klucza włączonego osiąga minimum dla U I V (przy wyższych napięciach zasilania). Jeżeli na wejściu sterującym IS układu MY 766N jest zero logiczne, to wówczas klucz jest wyłączony, jeżeli natomiast jest jedynka logiczna, to klucz jest włączony. IS U S T5 O/I n U O T T T T p n n p I/O U I Rys..7. Schemat ideowy jednego klucza układu MY 766N Podstawową charakterystyką klucza MY 766N jest zależność napięcia wyjściowego U o od napięcia wejściowego U I przy różnych obciążeniach i symetrycznym zasilaniu, na przykład =,5 V i = -,5 V. Schemat układu pomiarowego oraz przykładowe charakterystyki zostały przedstawione na rysunku.8. 7
a) b) U O [V] T A =+5 o =,5V =-,5V =kω kω kω U S = 5 Ω Ω U I z U O - - - - - - U I [V] Rys..8. Zależność napięcia wyjściowego U o od napięcia wejściowego U I klucza MY 766N: a) przykładowa charakterystyka, b) schemat pomiarowy... Przykłady zastosowań e bilateralne MY 76N i MY 766N są stosowane w urządzeniach analogowych sterowanych cyfrowo, między innymi w układach: blokady szumów odbiorników radiowych, rozgałęźników, przełącznika kierunków transmisji, automatycznej regulacji wzmocnienia. Dwa klucze z połączoną jedną parą wejść układu i inwerterem w układzie sterowania stanowią układ przełącznika, który może być wykorzystany jako układ rozwidleniowy, łączący obwód jednotorowy z dwutorowym (rys..9). Dla N/O = następuje nadawanie, natomiast dla N/O = następuje odbiór. Za pomocą kluczy analogowych można również tworzyć układy zwielokrotniające. Przykładowy czterokanałowy multiplekser i demultiplekser przedstawiono na rysunku.. Rozdzielacz zapewnia od- 7
powiednią kolejność łączenia, przy czym szybkość przełączania jest zależna od częstotliwości zegara. Tor nadawczy N/O Funkcja Nadawanie Odbiór I/O N/O Tor odbiorczy Rys.9. Schemat funkcjonalny układu rozwidleniowego a) Zegar Rozdzielacz a b) Zegar Rozdzielacz b I O O I O I O I I O Rys... Schemat funkcjonalny czterokanałowego: a) multipleksera, b) demultipleksera 7
.. MULTIPLEKSERY, DEMULTIPLEKSERY ANALOGOWE W ramach serii MY 7/6 dostępne są układy scalone MOS typu MY 75N, MY 75N, MY 75N zawierające odpowiednio: ośmiokanałowy multiplekser-demultiplekser, podwójny, czterokanałowy multiplekser-demultiplekser, potrójny, dwukanałowy multiplekser-demultiplekser z wewnętrznymi układami sterującymi. Schematy funkcjonalne wymienionych układów scalonych pokazano na rysunkach.,.,.. Jako elementy przełączające w tych układach wykorzystane zostały klucze analogowe. Równoważny schemat pojedynczego klucza został przedstawiony na rysunku.. 6 A jścia sterujące B 9 Konwerter poziomów logicznych Dekoder BIN / z 8 5 5 5 INH 6 8 7 6 7 U EE 7
Rys... Schemat funkcjonalny układu MY 75N jścia sterujące A B 6 INH 6 Konwerter poziomów logicznych Dekoder BIN / z X- X X 5 5 X X Y Y Y 8 7 Y Y- U EE Rys... Schemat funkcjonalny układu MY 75N 6 A Dekoder BIN / z AX Ay A- jścia sterujące B 9 6 INH Konwerter poziomów logicznych 8 7 Dekoder BIN / z Dekoder BIN / z 5 5 Bx By B- x y - U EE 75
Rys... Schemat funkcjonalny układu MY 75N S p n Rys... Schemat funkcjonalny pojedynczego klucza analogowego W układzie MY 75N sygnały binarne, podawane na trzy wejścia A, B i, sterują włączeniem jednego z 8 kanałów. W układzie MY 75N sygnały podawane na dwa wejścia A i B sterują włączeniem jednej z czterech par kanałów. Natomiast w układzie MY 75N sygnały sterujące wejściami A, B i włączają jedną spośród dwóch trójek kanałów. Każdy z wymienionych układów ma wejście sterujące INH (ang. inhibit), które pozwala na zablokowanie wszystkich kluczy układu. Umożliwia to budowę układów z rozszerzoną liczbą wejść-wyjść. Tabele stanów układów MY 75N, MY 75N, MY 75N przedstawiono odpowiednio w tabelach.,. i.. Wszystkie wejścia sterujące mają układy zabezpieczające przed ładunkiem elektrostatycznym. Dodatkowo każdy z multiplekserów ma układy konwersji poziomów logicznych, umożliwiające sterowanie kluczami za pomocą napięć o innych poziomach niż napięcie przełączane. Napięcia zasilania elementów analogowych i cyfrowych w jednym urządzeniu mogą być zatem różne. Tabela. Tablica stanów układu MY 75N jście sterujące Nr włączonego INH A B kanału 5 6 76
x x x Tablica stanów układu MY 75N 7 żaden Tabela. jścia sterujące Nr włączonych INH A B kanałów X X x, y x, y x, y x, y żaden Tablica stanów układu MY 75N Tabela. jścia sterujące Nr włączonych INH A B kanałów X X X Ax, Bx, x Ax, Bx, y Ax, By x Ax, By, y Ay, Bx, x Ay, Bx, y Ay, By, x Ay, By, y żaden Układy MY 75N, MY 75N oraz MY 75N mają wszystkie właściwości cyfrowych układów MOS. Ponadto cechują się: szerokim zakresem napięć zasilania -,5 + V ( -, - ), U ED małymi statycznymi stratami mocy; typowo, µw ( -, - = V), U ED małą wartością wejściowego prądu obciążenia µa (przy U Z = = 5 V), małą rezystancją przejściową klucza włączonego; typowo = = 5 Ω (przy - U EE = 5 V oraz U I = 5 V pp ), R ON 77
dużą rezystancją klucza wyłączonego R OFF > Ω, konwersją poziomów logicznych cyfrowych napięć sterujących V do poziomu przełączanych napięć wejść analogowych: do V U I pp. Układy multiplekserów i demultiplekserów wykorzystywane są głównie do budowy urządzeń czasowego zwielokrotnienia i rozdziału kanałów danych. W przypadku, gdy liczba kanałów jest większa niż liczba wejść jednego multipleksera, można stosować połączenie kilku elementów. Sposób budowy 6-kanałowego multipleksera z dwóch układów MY 75N zamieszczono na rysunku.5. D B A /6 MY 796N INH B A MY 75N 7 O/I O/I INH B A 7 K5 K8 K7 K Rys..5. Układ multipleksera 6-kanałowego Scalone multipleksery MOS można stosować do budowy przetworników A/ i /A. Układ ilustrujący specyficzne wykorzystanie multipleksera MY 75N do generowania fali sinusoidalnej przedstawiono na rysunku.6. W tym przypadku multiplekser z drabinką rezystorową jest sterowany z licznika rewersyjnego. Inne zastosowanie multipleksera pokazano na rysunku.7. Multiplekser służy tutaj do konwersji informacji równoległej na szeregową. Układ taki daje możliwość generowania ciągów o określonej strukturze, zależnej od danych podawanych na wejścia informacyjne multipleksera (x - x 5 ). 78
U / MY 7N 68Ω Ω / MY 766N,kΩ,9kΩ,9kΩ,kΩ,kΩ MY 75N 7 6 5 O/I INH A B Q R D MY 7N S P MY 7N S D Q R P / MY 769N,kΩ 68Ω Ω P U/D A B D A A B D L L MY 79N U ZEG ZER ZER ZEG U U -U U Rys..6. Generator fali sinusoidalnej z wykorzystaniem układu MY 75N 79
danych MY 77N L P E D B A X X5 D B MY 75N INH A INH D R ZEG / MY 7N P S Rys..7. Konwerter informacji równoległej na szeregową.. PRZEBIEG ĆWIZENIA. Zbadać charakterystykę napięcia wyjściowego od napięcia wejściowego U o U I czyli U = f( U ) klucza MY 76N dla o I różnych wartości oporności obciążenia, np. = kω, kω, kω oraz przy zasilaniu: a) niesymetrycznym = V, = V, b) niesymetrycznym = 5 V, = V, c) symetrycznym = 5 V, = -5 V.. Zbadać zależność tłumienności klucza wyłączonego od częstotliwości sygnału f I klucza MY 76N.. Zbadać amplitudowo-częstotliwościową charakterystykę przenoszenia klucza MY 76N.. Zbadać charakterystykę napięcia wyjściowego od napięcia wejściowego U I czyli U O = f(ui) klucza MY 766N dla = kω, kω, kω przy zasilaniu symetrycznym = =,5 V, = -,5 V. U o 8
5. Sprawdzić działanie multipleksera 6-kanałowego. Przedstawić tabelę stanów badanego układu. 6. Sprawdzić działanie konwertera informacji równoległej na szeregową. Narysować przebiegi czasowe na wszystkich wejściach/wyjściach układu..5. PYTANIA KONTROLNE. Zrealizować funkcję y(a, b, c) = ab c+ abc+ a bc+ abc za pomocą multipleksera: a) MY 75N, b) MY 75N.. Określić podstawowe parametry elektryczne multiplekserów serii MY 7/6.. Zrealizować funkcję y(a, b, c, d)= [,,, 5,, 8, (, 5, )] za pomocą multipleksera: a) MY 75N, b) MY 75N.. Określić podstawowe parametry elektryczne układów MY 76N, MY 766N. 5. Przedstawić schemat funkcjonalny (z wykorzystaniem kluczy dwukierunkowych) układu przełączania kierunków transmisji. LITERATURA. Elementy półprzewodnikowe i układy scalone, zastosowania. Układy cyfrowe. Unitra emi, Przemysłowy Instytut Elektroniki, /987. GAJEWSKI P, TURZYŃSKI J., yfrowe układy scalone MOS, WKiŁ, Warszawa 99. ŁAKOMY M., ZABRODZKI J., Układy scalone MOS, PWN, Warszawa 99 8