实验十四TTL、CMOS门电路参数及逻辑特性的测试

实验十四 TTL、CMOS门电路参数及逻辑特性的测试厦门大学 通信工程系 林XX一.实验目的：1、掌握TTL、CMOS与非门参数的测量方法；2、掌握TTL、CMOS与非门逻辑特性的测量方法；3、掌握TTL与CMOS门电路接口设计方法。二.实验原理：(一)TTL门电路：TTL门电路是标准的集成数字电路，其输入、输出端均采用双极型三极管结构：凡是TTL器件特性均与TTL门电路具有相同特性，故需了解TTL门电路的主要参数。7400是TTL型中速二输入端四与非门。图1是它的内部电路原理图和管脚排列图。1、TTL与非门的主要参数：（1）输入短路电流：IIS： 与非门某输入端接地时，该输入端接入地的电流。（2）输入高电平电流 IIH： 与非门某输入端接VCC（5V），其他输入端悬空或接VCC时，流入该输入端的电流。 TTL与非门特性如图2所示：（3）开门电平VON: 使输出端维持低电平VOL所需的最小输入高电平，通常以VO=0.4V时的Vi定义。（4）关门电平VOFF： 使输出端保持高电平VOH所允许的最大输入低电平，通常以Vo=0.9VOH时的Vi定义。阀值电平VT:VT=(VOFF+VON)/2（5）开门电阻RON： 某输入端对地接入电阻（其他悬空），使输出端维持低电平（通常以VO=0.4V）所需的最小电阻值。（6）关门电阻ROFF： 某输入端对地接入电阻（其他悬空），使输出端保持高电平VOH（通常以VO=0.9VOH所允许的最大电阻值）。 TTL与非门输入端的电阻负载特性曲线如图3所示。（7）输出低电平负载电流IOL：输出保持低电平VO=0.4V时允许的最大灌流（如图4）；（8）输出高电平负载电流IOH：输出保持高电平VO=0.9VOH时允许的最大拉流；（9）平均传输延迟时间tpd：开通延迟时间tOFF：输入正跳变上升到1.5V相对输出负跳变下降到1.5V的时间间隔；关闭延迟时间tON：输入负跳变上升到1.5V相对输出正跳变下降到1.5V的时间间隔；平均传输延迟时间：开通延迟时间与关闭延迟时间的算术平均值。tpd=（tON+tOFF）/2 TTL与非门平均传输延迟时间示意图如图6所示。2、TTL与非门的电压传输特性： TTL与非门的电压传输特性是描述输出电压VO随输入电压Vi变化的曲线，如图7所示。从ViVo曲线中，形象地显示出VOH,VOL,VON,VOFF,VT之间的关系。(二)CMOS门电路：COMS门电路是另一类常用的标准数字集成电路，其输入、输出结构均采用单极型三极管结构，凡COMS电路特性均具有CMOS门电路形同的特性。C4011是CMOS二输入端四与非门。 下图是内部电路原理图和管脚排列图。1、 CMOS门电路的主要参数： （1）由于CMOS门电路输入端具有保护电路和输入缓冲，而输入缓冲为CMOS反相器，为电压控制器件，故当输入信号介于0Vdd时，Ii=0；多余输入端不允许悬空； （2）输出低电平Iol ：使输出保持电平Vo=0.05 V时允许的最大灌流； （3）输出高电平负载电流Ioh ：使输出保持高电平Vo=0.9Voh时的最大拉流； （4）平均传输延迟时间Ty ：同TTl门电路定义。2、 CMOS门电路的电压传输特性3、 与非门的逻辑特性 输入有低，输出就高；输入全高，输出就低。（3） TTL电路与CMOS电路的接口设计：（图见书上） Voh（min）=V1h(min) Vol(max)=nIih(max) Iol(max)=mIil(max)3、 实验仪器 示波器，函数信号发生器，“四位半”数字多用表，多功能电路实验箱4、 实验内容1、TTL、CMOS与非门主要参数的测量（1）IIS、VOH、IIH、VOL： 实验电路如图，将输入端2串接电流表“A”到地，此时电流表指示值为IIS。电压表指示值为VOH。实验电路如图13所示，将输入端2串接电流表“A”到电源，此时电流表指示值为IIH，电压表指示值为VOL（测量VOH时应接模拟负载电阻2K，测量VOL时应接入模拟灌流电阻390欧姆）。（2） TTL、CMOS与非门灌流负载能力测试：实验电路如图13所示。电流表量程置200mA。将Rw组建缩小，当输出电压上升到0.4v（CMOS）为0.5V时，电流表测量值为IOL。（3） TTL、CMOS与非门拉流负载能力测试实验电路如图14所示。电流表量程20mA，将Rw组建缩小，当输出电压下降到0.9VOH时，电流表测量值为IOH。（4） TTL、CMOS与非门平均传输延迟时间的测量：测量电路如图15所示。三个与非门首尾相接便构成环形振荡器，用示波器观测输出震荡波形，并测出振荡周期T，计算出平均传输延迟时间Ty=T/6.（5） 将上述测量参数填入表一表一 TTL参数参数IISIIHVOHVOLIOHIOLtpdTTL0.9534mA9.942uA3.456V0.1837V7.75nsCMOS10.443V0V74.25ns2、 TTL与非门传输特性的测量测量如图16所示。输入正弦波信号Vi（f=200Hz，Vip-p：0-5V）示波器置X-Y扫描。观测并画出与非门电压性曲线，用示波器测量VOH，VOL。3、 CMOS与非门电压传输特性的测量按上述方法，观测并画出CMOS与非门电压传输特性曲线，并用示波器测量VOH，VOl，VT。4、 将TTL、CMOS测量参数填入表二： 表二 TTL、CMOS电压传输特性曲线参数器件 TTL器件 CMOS器件参数VOHVOLVONVOFFVOHVOLVT测量值4.025V20mV1.375V675mV4.9V0V2.425V5、 观测CMOS门电路带TTL门电路（当电源电压均为5V时）的情况： （1）当CMOS输出带一个TTL门时；当CMOS门输入端分别为高电平（5v）或低电平（0V）时，测量CMOS与非门输出端电平。（2） 当CMOS输出带四个TTL门（四个TTL门输入并接）时如图17所示；在CMOS输入端分别输入高电平（5v）或低电平（0V）时，测量CMOS与非门输出端的相应电平。6、 将测量数据填入表三 表三 接口电路测量参数CMOS带一个TTLCMOSTTLCMOS带4个TTLCMOSTTLVoVoVoVoVIL0V4.953V62.19mV0V5.017V59.81mVVLH5V245.9mV3.868V5V1.132V3.857V7、 观测TTL门电路带CMOS门电路（当电源电压分别为5V，12V）的情况测量电路如图18，在A端加入TTL信号（f=10KHz）用示波器观察记录A B D点的波形，试说明此电路有何问题？试在B C之间利用三极管设计一接口电路（9011三极管参数：=100，Icm=30mA）使输出D的波形与输入A反相。电路设计：反相电路设计如下图：（注意串接大小为10K的电阻）8、 若要D与A相同，最简电路应如何设计。实验图像：（A，B点的）设计电路：同相波形：反相波形：实验总结：通过此次实验，我从中复习数字电路中关于TTL、CMOS的相关知识