逻辑IC功能和参数测试.docx
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逻辑IC功能和参数测试
电子科技大学微电子与固体电子学院
实验报告
课程名称集成电路原理
电子科技大学教务处制表
电子科技大学
实验报告
学生姓名:
连亚涛/王俊颖(2011031010032/0007)指导教师:
王向展
实验地点:
211楼306实验时间:
2014.6
一、实验室名称:
微电子技术实验室
二、实验项目名称:
逻辑IC功能和参数测试
三、实验学时:
4
四、实验原理
1.MOSIC静态功耗(也称维持功耗)PDD
MOSIC的静态功耗是:
当输入端为固定的逻辑电乎,输出端空载,输出状态固定不变时电路所消耗的能量。
静态功耗是温度的函数。
由于静态时从电源到地没有直流通路,MOSIC静态功耗很小,它只取决于漏电情况。
2.输出高电平VOH(低电平VOL),输入高电平VIH(低电平VIL)
(1)当输入端为固定的VCC或VSS,输出端空载时,所输出的固定电平称为输出高电平VOH及输出低电平VOL。
(2)当输出端维持应有的VOH和VOL时,输入端所能输入的最小高电平VIH或最大低电平VIL。
VOH(VOL)越接近VCC(VSS),VIH(VIL)越远离VCC(VSS),其电路性能越好。
3.逻辑功能和最高工作频率fMAX
(1)先根据被测的IC应有的逻辑功能确定输入波形的时序,搭一个相应的测试电路产生这些输入波形并把共送入被测IC的输入端,用示波器或逻辑分析仪测试输入输出波形所对应的时序关系。
(2)最高工作频率fMAX取决于电路各级在动态工作中的充放电速度。
在额定的负载下,保持正确的逻辑关系和额定的波形幅度,电路所能承受的输入脉冲的频率为fMAX。
4.工作功耗PW
静态功耗和动态功耗的总和为电路的工作功耗。
(1)
动态功耗包括瞬态功耗PT和交变功耗PA。
其中PT是在动态工作中电源对电容(包括级间栅电容、pn结电容和输出级负载电容等)的充放电所消耗的能量。
(2)
PA是由于在交变时波形的上升沿和下降沿使得电路从VCC到VSS有直流通路而消耗的能量。
(3)
动态功耗是无法单独测试的,而对于CMOS电路由于PDD很小,因此
(4)
在固定负载情况下它与工作频率成正比,在固定工作频率时,它与负载电容成正比。
5、延迟时间td
延迟时间td反映电路某输出端对其输入端变化的响应速度,它的定义如图1所示。
(5)
6、输出驱动能力
(1)输出级对电容负载的驱动能力用td/1pF表示,即单位负载电容的增加对输出级延迟时间的影响。
这个值越小,说明电路容性负载能力越强。
测试和计算用式
(6)
(2)输出级对电流负载的驱动能力用拉、灌电流表示。
灌电流IOL——在满足输出端额定的最大输出低电平VOLmax时,从输出端到VSS向电路所灌电流的最大值。
拉电流IOH——在满足输出端额定的最小输出高电平VOHmin时,从输出端到VCC从电路拉出电流的最大值。
IOL和IOH越大,说明电路的电流负载能力越强。
7、输入电流IIN
输入湍接固定的VCC(或VSS),从输入端至电路的VSS(或VCC)端所通过的电流即为输入电流IIN。
MOSIC的输入电流取决于栅的漏电和保护电路中pn结漏电等。
因IIN很小,无法用万用表直接测量,可以在输入端串联一个很小的采样电阻RA,此时,通过RA和万用表的输入电阻RIN的电流相等。
因此
图1延迟时间定义
图2输入电流测试原理
五、实验目的与意义
本实验的目的是熟悉MOSIC的功能和参数的物理意义,掌握其测试方法。
测试包括MOSIC的逻辑功能、最高工作频率、静态功耗、工作功耗、输入高(低)电乎、输出高(低)电平、输入电流、输出驱动能力及延迟时间等。
通过该实验,使学生对课程中所学到的MOS数字IC主要参数表征及其含义有更深入的理解,并加深对其的感性认识,增强学生的实验与综合分析能力,掌握MOS数字IC测试技术的基本方法,进而为今后从事科研、开发工作打下良好基础。
六、实验内容
1、测试室温下高速CMOS异或门74HC86的静态功耗,并与相同功能的双极电路74LS86静态功耗对比。
2、测得74HC86的输入高电平和低电平,输出高电平和低电平。
3、测得低速CMOS异或门CD4030的逻辑功能和负载电容为15pF时的最高工作频率。
4、测得CD4030的工作功耗及其和频率的关系。
5、测得CD4030和74HC86的延迟时间,并进行比较。
七、实验仪器与器材
(1)直流稳压电源一台
(2)数字双踪示波器*一台
(3)信号发生器一台
(4)实验测试板及连接线一套
(5)常见通用MOS数字IC样品若干
八、实验步骤
1.MOSIC静态功耗
(1)按图3连接测试线路,每个输入端必须接VCC或VSS。
(2)稳压源调至5V,电流表置最小量程,记录稳定电流值。
将A4、B4与VSS断开,观测电流。
(3)用74LS86代替74HC86重复以上实验。
图3静态功耗测试电路
图4输入高(低)屯平测试电路
2.输入高电平和低电平,输出高电平和低电乎
(1)将图3测试线路中Q4端与VSS之间并入一个电压表,测量Q4端的输出低电平VOL。
(2)上图中的A4改接至VCC,测量Q4端的输出高电平VOH。
(3)按图4连接测试线路。
(4)电源电压调至5V,调节电位器使VI从VCC开始降低,直至输出电压从VOL开始上升,此时VI=VIH。
(5)调节电位器使VI从VSS开始上升,直至输出端Q4的输出电平从VOH开始下降,此时VI=VIL。
3、逻辑功能和最高工作频率
(1)用双踪示波器对简单的逻辑电路CD4030测试
1)按图5连接测试线路,可变电容调至15pF,脉冲发生器频率置100kH,VCC=5V。
2)用双踪示波器chl、cL2分别测量输入端A4和B4的波形图。
3)用ch1、ch2分别测A4、Q4的波形并记录Q4相对A4、B4的波形图。
4)提高脉冲发生器频率,同时调节时基旋钮,观察波形的变异,测试最高工作频率(CD4030输入端A4的频率)。
图5CD4030逻辑功能测试电路
4.工作功耗
1)将图5中的可变电容调至10pF。
2)调节脉冲发生器频率fc从l00KHz至10MHz,每间隔100kHz读出相应电流。
3)固定脉冲发生器频率发fC=1MHz,调节可变电容为l0pF、50pF、100pF,读出相应电流。
5.延迟时间
1)将图5中可变电容调至15pF,fC=100kHz。
2)将双踪示波器的ch1和ch2分别按至A4、Q4,调节时基旋钮记录CD4030的Q4相对A4的延迟时间。
3)变化脉冲发生器频率fC=1MHz,重夏上面操作。
4)用74HC86代替CD4030测试高速CMOS的延迟时间和前面测量结果对比。
九、实验数据及结果分析
1、输出高电平
2、输出低电平
3、阈值电压
4、延迟时间
5、上升时间
下降时间
6、最高工作频率
十、实验结论
逻辑IC能正常工作,性能良好。
十一、总结及心得体会
1、通过这次试验进一步熟悉了示波器的使用和函数发生器的调试。
2、深入理解个参数的计算方法以及测试方法,并通过示波器读取识别。
十二、本实验过程及方法、手段的建议:
无
建议使用数字函数发生器
报告评分:
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