实验三　CMOS集成逻辑门的逻辑功能与参数测试

    一、实验目的

　  1、掌握CMOS集成门电路的逻辑功能和器件的使用规则

  　2、学会CMOS集成门电路主要参数的测试方法

    二、实验原理

1、CMOS集成电路是将N沟道MOS晶体管和P沟道 MOS晶体管同时用于

一个集成电路中，成为组合二种沟道MOS管性能的更优良的集成电路。CMOS集成电路的主要优点是：

    (1)功耗低，其静态工作电流在10－9A数量级，是目前所有数字集成电路中最低的，而TTL器件的功耗则大得多。

(2)高输入阻抗，通常大于1010Ω，远高于TTL器件的输入阻抗。

(3)接近理想的传输特性，输出高电平可达电源电压的 99.9％以上，低电平可达电源电压的0.1％以下，因此输出逻辑电平的摆幅很大，噪声容限很高。

(4)电源电压范围广，可在＋3V～＋18V范围内正常运行。

(5)由于有很高的输入阻抗，要求驱动电流很小，约0.1μA，输出电流在＋5V电源下约为 500μA，远小于TTL电路，如以此电流来驱动同类门电路，其扇出系数将非常大。在一般低频率时，无需考虑扇出系数，但在高频时，后级门的输入电容将成为主要负载，使其扇出能力下降，所以在较高频率工作时，CMOS电路的扇出系数一般取10～20。

　  2、CMOS门电路逻辑功能

　　尽管CMOS与TTL电路内部结构不同，但它们的逻辑功能完全一样。本实验将测定与门CC4081，或门CC4071，与非门CC4011，或非门CC4001的逻辑功能。各集成块的逻辑功能与真值表参阅教材及有关资料。

　  3、CMOS与非门的主要参数

　　CMOS与非门主要参数的定义及测试方法与TTL电路相仿，从略。

    4、CMOS电路的使用规则

    由于CMOS电路有很高的输入阻抗，这给使用者带来一定的麻烦，即外来的干扰信号很容易在一些悬空的输入端上感应出很高的电压，以至损坏器件。CMOS电路的使用规则如下：

   (1) VDD接电源正极，VSS接电源负极（通常接地⊥），不得接反。CC4000系列的电源允许电压在＋3～＋18V范围内选择，实验中一般要求使用＋5～＋15V。

   (2) 所有输入端一律不准悬空

   闲置输入端的处理方法： a) 按照逻辑要求，直接接VDD（与非门）或VSS（或非门）。  b) 在工作频率不高的电路中，允许输入端并联使用。

　 (3) 输出端不允许直接与VDD或VSS连接，否则将导致器件损坏。

　 (4) 在装接电路，改变电路连接或插、拔电路时，均应切断电源，严禁带电操作。

   (5) 焊接、测试和储存时的注意事项：

    a、电路应存放在导电的容器内，有良好的静电屏蔽；

    b、焊接时必须切断电源，电烙铁外壳必须良好接地，或拔下烙铁，靠其余热焊接；

    c、所有的测试仪器必须良好接地；

    三、实验设备与器件

    1、+5V直流电源              2、双踪示波器

    3、连续脉冲源               4、逻辑电平开关

    5、逻辑电平显示器           6、直流数字电压表

    7、直流毫安表               8、直流微安表

9、CC4011、CC4001、CC4071、CC4081、电位器 100K、电阻 1K

    四、实验内容

1、CMOS与非门CC4011参数测试（方法与TTL电路相同）

    (1)测试CC4011一个门的ICCL，ICCH，IiL，IiH

    (2)测试CC4011一个门的传输特性（一个输入端作信号输入，另一个输入端接逻辑高电平）

    (3)将CC4011的三个门串接成振荡器，用示波器观测输入、输出波形，并计算出tpd值。

    2、验证CMOS各门电路的逻辑功能，判断其好坏。

    验证与非门CC4011、与门CC4081、或门CC4071及或非门CC4001逻辑功能，其引脚见附录。

以CC4011为例：测试时，选好某一个14P插座，插入被测器件，其输入端A、B 接逻辑开关的输出插口，其输出端Y接至逻辑电平显示器输入插口，拨动逻辑电平开关，逐个测试各门的逻辑功能，并记入表3－1中。

                                    表3－1

图3－1  与非门逻辑功能测试

    3、观察与非门、与门、或非门对脉冲的控制作用。

    选用与非门按图3－2(a)、(b)接线，将一个输入端接连续脉冲源（频率为20KHz），用示波器观察两种电路的输出波形，记录之。

然后测定“与门”和“或非门”对连续脉冲的控制作用。

                   (a)                           (b)

图3－2 与非门对脉冲的控制作用

    五、预习要求

    1、复习CMOS门电路的工作原理

    2、熟悉实验用各集成门引脚功能

    3、画出各实验内容的测试电路与数据记录表格

    4、画好实验用各门电路的真值表表格

    5、各CMOS门电路闲置输入端如何处理？

    六、实验报告

    1、整理实验结果，用坐标纸画出传输特性曲线。

2、根据实验结果，写出各门电路的逻辑表达式，并判断被测电路的功能好坏。

实验四 TTL集成逻辑门的逻辑功能与参数测试

 一、实验目的

    1、掌握TTL集成与非门的逻辑功能和主要参数的测试方法。

    2、掌握TTL器件的使用规则。

    3、进一步熟悉数字电路实验装置的结构，基本功能和使用方法。

 二、实验原理

本实验采用四输入双与非门74LS20，即在一块集成块内含有两个互相独立的与非门，每个与非门有四个输人端。其逻辑框图、符号及引脚排列如图 2―l（a）、（b）、（c）所示：

                            图2―1  74LS20逻辑框图、逻辑符号及引脚排列

    1、与非门的逻辑功能

    与非门的逻辑功能是：当输入端中有一个或一个以上是低电平时，输出端才为高电平；只有当输入端全部为高电平时，输出端才是低电平（即有“0”得“l” 全“l”得“0”）

其逻辑表达式为     

2、TTL与非门的主要参数

（1）低电平输出电源电流IccL和高电平输出电源电流IccH

    与非门处于不同的工作状态，电源提供的电流是不同的。IccL是指所有输入端悬空，输出端空载时，电源供给器件的电流。IccH是指输出端空载，每个门各有一个以上的输人端接地，其余输入端悬空，电源提供给器件的电流。通常IccL＞IccH，它们的大小标志着器件静态功耗的大小。器件的最大功耗为P＝VccIccL。手册中提供的电源电流和功耗值是指整个器件总的电源电流和总的功耗。IIccL和IccH 测试电路如图2―2(a)(b)所示。

    ［注意］：TTL电路对电源电压要求较严，电源电压Vcc只允许在十 5V土10％的范围内工作，超过5．5V将损坏器件；低于4．5V器件的逻辑功能将不正常。

                          图2―2 TTL与非门静态参数测试电路图

    ②低电平输入电流IiL和高电平输入电流IiH 。IiL是指被测输入端接地，其余输入端悬空，输出端空载时，由被测输入端流出的电流值。在多级门电路中，IiL相当于前级门输出低电平时，后级向前级门灌入的电流，因此它关系到前级门的灌电流负载能力，即直接影响前级门电路带负载的个数，因此希望IiL小些。IiH是指被测输入端接高电平，其余输入端接地，输出端空载时，流入被测输入端的电流值。在多级门电路中，它相当于前级门输出高电平时，前级门的拉电流负载，其大小关系到前级门的拉电流负载能力，希望IiH小些。由于IiH较小，难以测量，一般免于测试。低电平输入电流IiL和高电平输入电流IiH的测试电路如图2―2（c）、(d）所示。

    （3）扇出系数No

    扇出系数No是指门电路能驱动同类门的个数，它是衡量门电路负载能力的一个参数，TTL与非门有两种不同性质的负载，即灌电流负载和拉电流负载，因此有两种扇出系数，即低电平扇出系数NOL和高电平扇出系数NOH，通常IiH∠IiL；则NOH＞NOL，故常以NOL此作为门的扇出系数。NOL的测试电路如图2―3所示，门的输入端全部悬空，输出端接灌电流负载RL，调节RL使IOL增大，VOL随之增高，当VOL达到VOLm（手册中规定低电平规范值小于0．3V）时的IOL就是允许灌入的最大负载电流，则     NoL=

   4）电压传输特性

门的输出电压VO随输入电压Vi而变化的曲线VO＝f(Vi)称为门的电压传输特性，通过它可读得门电路的一些重要参数，如输出高电平VOH；、输出低电平VOL、关门电平VOff、开门电平VON、 阈值电平VT等值。测试电路如图2一4所示，采用逐点测试法，即调节RW，逐点测得Vi及Vo，然后绘成曲线。

图2―3                                   图2一4

三、实验设备与器件

    1、+5V直流电源  2、逻辑电平开关  3、逻辑电平显示器  4、直流数字电压表  5、直流毫安表   6、74LS20 两个、1K、10K电位器，200Ω电阻（0．5W）各1个。

四、实验内容

  在合适的位置选取一个14P插座，按定位标记插好74LS20集成块。

    1、验证TTL集成与非门74LS20的逻辑功能：

    按图2―6接线，门的四个输入端接逻辑开关输出插口，以提供“0”与“1”电平信号，开关向上，输出逻辑“1”，向下为逻辑“0”。门的输出端接由LED发光二极管组成的逻辑电平显示器（又称0―1指示器）”的显示插口， LED亮为逻辑“1”、 不亮为逻辑“0”。按表 2―2的真值表逐个测试集成块中两个与非门的逻辑功能。74LS20有4个输入端，有16个最小项，在实际测试时，只要通过对输入1111、。0111、1011、1101、1110五项进行检测就可判断其逻辑功能是否正常。                                              

 2、74LS20主要参数的测试

   （1）分别按图2―2、2―3、2--4接线并进行测试，将测试结果记入表 2―3中。        表2―3

    (2)接图2―4接线，调节电位器RW．，使Vi从零伏向高电平变化，逐点测量Vi和V0的对应值，记入表2―4中。

表2―4

五、实验报告

    1、记录、整理实验结果，并对结果进行分析。

    2、画出实测的电压传输特性曲线，并从中读出各有关参数值。     参考电压传输特性曲线：

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