實(shí)驗(yàn)十四--TTL、CMOS門(mén)電路參數(shù)及邏輯特性的測(cè)試

1、實(shí)驗(yàn)十四 TTL、CMOS門(mén)電路參數(shù)及邏輯特性的測(cè)試廈門(mén)大學(xué) 通信工程系 林 XX一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、掌握 TTL、 CMOS 與非門(mén)參數(shù)的測(cè)量方法；2、掌握 TTL、 CMOS 與非門(mén)邏輯特性的測(cè)量方法；3、掌握TTL與CMOS門(mén)電路接口設(shè)計(jì)方法。二. 實(shí)驗(yàn)原理：（一 ）TTL門(mén)電路：TTL 門(mén)電路是標(biāo)準(zhǔn)的集成數(shù)字電路， 其輸入、 輸出端均采用雙極型三極管結(jié)構(gòu)： 凡是 TTL 器件特性均與TTL門(mén)電路具有相同特性，故需了解 TTL門(mén)電路的主要參數(shù)。7400是TTL型中速二輸入端四與非門(mén)。圖 1是它的內(nèi)部電路原理圖和管腳排列圖。1、TTL與非門(mén)的主要參數(shù)：（1）輸入短路電流： I IS： 與非

2、門(mén)某輸入端接地時(shí)，該輸入端接入地的電流。（2）輸入高電平電流 I IH：Vcc時(shí)，流入該輸入端的電流。與非門(mén)某輸入端接 Vx （ 5V），其他輸入端懸空或接TTL 與非門(mén)特性如圖 2 所示：（3）開(kāi)門(mén)電平 VON:使輸出端維持低電平 Vol所需的最小輸入高電平，通常以VO=0.4V時(shí)的Vi定義。（4）關(guān)門(mén)電平 VOFF：使輸出端保持高電平 Voh所允許的最大輸入低電平，通常以Vo=0.9VOH時(shí)的Vi定義。閥值電平 VT:VT=（VOFF+VON）/2（ 5 ）開(kāi)門(mén)電阻 RON：某輸入端對(duì)地接入電阻（其他懸空），使輸出端維持低電平（通常以VO=0.4V）所需的最小電阻值。（ 6 ）關(guān)門(mén)電阻 R

3、OFF：某輸入端對(duì)地接入電阻（其他懸空），使輸出端保持高電平V）h （通常以 V=0.9Vh所允許的最大電阻值） 。TTL 與非門(mén)輸入端的電阻負(fù)載特性曲線如圖 3所示。（7） 輸出低電平負(fù)載電流Iol：輸出保持低電平 Vo=0.4V時(shí)允許的最大灌流（如圖4）;（8） 輸出高電平負(fù)載電流1。比輸出保持高電平 Vo=0.9Voh時(shí)允許的最大拉流；（ 9）平均傳輸延遲時(shí)間 tpd ：開(kāi)通延遲時(shí)間toFF：輸入正跳變上升到1.5V相對(duì)輸出負(fù)跳變下降到1.5V的時(shí)間間隔；1.5V的時(shí)間間隔;tpd= ( t ON+t OFF) /2關(guān)閉延遲時(shí)間tN：輸入負(fù)跳變上升到1.5V相對(duì)輸出正跳變下降到平均傳輸延

4、遲時(shí)間：開(kāi)通延遲時(shí)間與關(guān)閉延遲時(shí)間的算術(shù)平均值。TTL 與非門(mén)平均傳輸延遲時(shí)間示意圖如圖 6 所示。2、TTL 與非門(mén)的電壓傳輸特性：TTL 與非門(mén)的電壓傳輸特性是描述輸出電壓VO 隨輸入電壓 Vi 變化的曲線，如圖 7 所示。從 ViVo 曲線中，形象地顯示出 VOH,V OL,V ON,V OFF,V T 之間的關(guān)系。（二）CMOS門(mén)電路：COMS門(mén)電路是另一類(lèi)常用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字集成電路，其輸入、輸出結(jié)構(gòu)均采用單極型三極管結(jié) 構(gòu)，凡COMS電路特性均具有 CMOS門(mén)電路形同的特性。C4011是CMOS二輸入端四與非門(mén)。 下圖是內(nèi)部電路原理圖和管腳排列圖。1、CMOS門(mén)電路的主要參數(shù)：（1） 由

5、于CMOS門(mén)電路輸入端具有保護(hù)電路和輸入緩沖，而輸入緩沖為CMOS反相器，為電壓控制器件，故當(dāng)輸入信號(hào)介于0Vdd時(shí)，li=0;多余輸入端不允許懸空；（2）輸出低電平lol :使輸出保持電平 Vo=0.05 V時(shí)允許的最大灌流；（ 3）輸出高電平負(fù)載電流 loh ：使輸出保持高電平 Vo=0.9Voh 時(shí)的最大拉流；（ 4）平均傳輸延遲時(shí)間 Ty ：同 TTl 門(mén)電路定義。2、CMOS門(mén)電路的電壓傳輸特性3、與非門(mén)的邏輯特性 輸入有低，輸出就高；輸入全高，輸出就低。（三）TTL電路與CMOS電路的接口設(shè)計(jì)：（圖見(jiàn)書(shū)上）Voh（ min ） =V1h（min） Vol（max）=Vil（max）

6、lon（max）=nlih（max） lol（max）=mlil（max）三、實(shí)驗(yàn)儀器示波器，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器， “四位半”數(shù)字多用表，多功能電路實(shí)驗(yàn)箱四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、TTL、CMOS與非門(mén)主要參數(shù)的測(cè)量（ 1 ） llS、 VOH、 llH、 VOL：實(shí)驗(yàn)電路如圖，將輸入端 2串接電流表“ A”到地，此時(shí)電流表指示值為lIS。電壓表指示值為Voh。實(shí)驗(yàn)電路如圖13所示，將輸入端2串接電流表“ A”到電源，此時(shí)電流表指示 值為IIH，電壓表指示值為 Vol （測(cè)量Voh時(shí)應(yīng)接模擬負(fù)載電阻 2K,測(cè)量Vol時(shí)應(yīng)接入模擬灌 流電阻 390 歐姆）。（2）TTL、CMOS與非門(mén)灌流負(fù)載能力測(cè)試：實(shí)驗(yàn)電

7、路如圖13所示。電流表量程置200mA。將Rw組建縮小，當(dāng)輸出電壓上升到 0.4v （CMOS）為0.5V時(shí)，電流表測(cè)量值為 Iol。（3）TTL、CMOS與非門(mén)拉流負(fù)載能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)電路如圖14所示。電流表量程 20mA,將Rw組建縮小，當(dāng)輸出電壓下降到0.9Voh時(shí)，電流表測(cè)量值為IOH。朋12圖卩力崗國(guó)圖 圖口丁tl垃；上(4) TTL、CMOS與非門(mén)平均傳輸延遲時(shí)間的測(cè)量： 測(cè)量電路如圖15所示。三個(gè)與非門(mén)首尾相接便構(gòu)成環(huán)形振蕩器，用示波器觀測(cè)輸出震 蕩波形，并測(cè)出振蕩周期 T,計(jì)算出平均傳輸延遲時(shí)間Ty=T6.(a) TIL平均傳輸肘間測(cè)審圖(b) CMOS f 輸時(shí)間蒯圖(5 )將上

8、述測(cè)量參數(shù)填入表 表一 TTL參數(shù)參數(shù)IISIIHVOHVOLIOHIOLtpdTTL0.9534mA9.942uA3.456V0.1837V7.75 nsCMOS10.443V0V74.25ns2、TTL與非門(mén)傳輸特性的測(cè)量測(cè)量如圖16所示。輸入正弦波信號(hào) Vi(f=200Hz, Vip-p : 0-5V)示波器置X-Y掃描。觀 測(cè)并畫(huà)出與非門(mén)電壓性曲線，用示波器測(cè)量VOH, VOL3、CMOS與非門(mén)電壓傳輸特性的測(cè)量按上述方法，觀測(cè)并畫(huà)出CMOS與非門(mén)電壓傳輸特性曲線，并用示波器測(cè)量VOH, VOl，VT。4、將TTL、CMOS測(cè)量參數(shù)填入表二：表二 TTL、CMOS電壓傳輸特性曲線參數(shù)器

9、件TTL器件CMOS器件參數(shù)VohVolVONVOFFVOHVolVt測(cè)量值4.025V20mV1.375V675mV4.9V0V2.425V5、觀測(cè)CMOS門(mén)電路帶TTL門(mén)電路（當(dāng)電源電壓均為 5V時(shí)）的情況：（1）當(dāng)CMOS輸出帶一個(gè)TTL門(mén)時(shí)；當(dāng)CMOS門(mén)輸入端分別為高電平 （5v）或低電平（0V） 時(shí)，測(cè)量CMOS與非門(mén)輸出端電平。（2 ）當(dāng)CMOS輸出帶四個(gè)TTL門(mén)（四個(gè)TTL門(mén)輸入并接）時(shí)如圖17所示；在CMOS輸入端 分別輸入高電平（5v）或低電平（0V）時(shí)，測(cè)量CMOS與非門(mén)輸出端的相應(yīng)電平。6、將測(cè)量數(shù)據(jù)填入表三表三接口電路測(cè)量參數(shù)CMOS帶一個(gè) TTLCMOSTTLCMOS

10、帶 4 個(gè) TTLCMOSTTLVoVoVoVoVIL0V4.953V62.19mV0V5.017V59.81mVVLH5V245.9mV3.868V5V1.132V3.857V7、觀測(cè)TTL門(mén)電路帶CMOS門(mén)電路（當(dāng)電源電壓分別為5V, 12V）的情況測(cè)量電路如圖18，在A端加入TTL信號(hào)（f=10KHz）用示波器觀察記錄 A B D點(diǎn)的波形, 試說(shuō)明此電路有何問(wèn)題？試在 B C之間利用三極管設(shè)計(jì)一接口電路（ 9011三極管參數(shù)：B =100, lcm=30mA）使輸出D的波形與輸入 A反相。電路設(shè)計(jì)：反相電路設(shè)計(jì)如下圖：（注意串接大小為10K的電阻）&若要D與A相同，最簡(jiǎn)電路應(yīng)如何設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)圖像：（ A， B 點(diǎn)的）設(shè)計(jì)電路：同相波形:反相波形:實(shí)驗(yàn)總結(jié)：通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)，我從中復(fù)習(xí)數(shù)字電路中關(guān)于 TTL、CMO的相關(guān)知