1、實驗二 門電路的特性(終結報告)n 預習報告（記錄有原始數據）一 實驗目的1. 在理解CMOS門電路和TTL門電路的工作原理和電特性基礎上，學習并掌握其電特性主要參數的測試方法。2. 學習并掌握數字集成電路的正確使用方法二 預習任務1， 回顧實驗一“常用電子儀器使用”，回答下列問題：（1） 如何調整函數發生器，使其輸出100Hz、05V的三角波信號？選擇三角波輸出選項，通過“50”輸出端連接示波器觀察波形，通過調節函數信號發生器的頻率旋鈕，調節頻率至100Hz,Vp-p為5V，將示波器的參考電平位置設置在三角波的最低值處，得到0-5V的三角波，用示波器進行實際測量，判斷調節是否正確應該以示波器

2、的測量結果為準。（2） 用示波器觀測到如圖1所示的a、b兩個信號，假設此時示波器的垂直定標（靈敏度）旋鈕位置分別為1V/格和2V/格，請寫出它們的最高值和最低值。解：圖(a)中最高值為2V，最低值為-2V 圖(b)中最高值為4V，最低值為0V（3） 電壓傳輸特性曲線是指輸出電壓隨輸入電壓變化的曲線。示波器默認的時基模式為“標準（YT）模式”顯示的是電壓隨時間變化的波形，若要觀測電壓傳輸特性曲線，需改變示波器上哪些菜單或旋鈕？解：示波器默認的時基模式為“標準（YT）模式”，若要觀察電壓傳輸特性，應該將時基模式調節為XY模式。具體調節方法如下： 按下【Horiz】按鈕，在“水平設置菜單”中，按下時

3、間模式，然后改變時基模式由原來的“標準”變為“XY模式”。 （4） 用示波器觀測兩路信號時，如何調整示波器使波形穩定的顯示在屏幕上?應該合理設置觸發源和觸發電平使得波形穩定，調節【Trigger】旋鈕2， 仔細閱讀數字電子技術基礎第三章相關內容，并結合各項任務完成以下內容。（1） 寫出各測試電路中門電路的工作電壓。測試電路1，工作電壓VDD=5V；測試電路2， VDD=12V；測試電路3，工作電壓為VDD=5V；（2） 寫出各測試電路輸入信號的類型、頻率、電壓值。測試電路1，（3） 什么是閾值電壓？什么是噪聲容限？在電壓傳輸特性曲線中如何讀取？解：閾值電壓：通常將傳輸特性曲線中輸出電壓隨輸入電

4、壓改變而急劇變化轉折區的中點對應的輸入電壓稱為閾值電壓； 噪聲容限：是指在前一極輸出為最壞的情況下，為保證后一極正常工作，所允許的最大噪聲幅度；高電平噪聲容限=最小輸出高電平電壓-最小輸入高電平電壓低電平噪聲容限=最大輸入低電平電壓-最大輸出低電平電壓噪聲容限=min高電平噪聲容限，低電平噪聲容限（4） 寫出各項任務的測試方法及步驟。步驟見各任務；（5） 列出各項任務記錄數據的表格。表格見各任務；（6） 寫出測試過程中的注意事項。測試2：每次在改變變阻器阻值時，都要斷電后再進行電阻的測量，而且計算時電阻的取值以實際測量值為準； 測試3：要注意傳輸延遲時間的定義，是以輸入，輸出的幅值的一半對應的

5、時間點為基準進行計算的數據記錄（7） 根據選做任務內容分析圖5電路，試著給出取樣電阻R的阻值范圍。三必做任務1. CMOS與非門CD4011的電壓傳輸特性 CD4011引腳圖如下Vi 輸出100Hz,0-5V的鋸齒波，因此工作電壓=5V， 接地實驗步驟：（1） 連接電路，注意芯片的放置方式以及引腳的位置（2） 利用示波器觀察函數信號發生器產生的波形符合要求后，再將信號接到輸入端（3） 將示波器調到XY工作方式，CH1接輸入，CH2接輸出（4） 觀察電壓傳輸特性，讀取并標注和記錄數據；實驗數據記錄表格工作電壓實測：4.99V；閾值電壓輸入噪聲容限輸出噪聲容限 2.575V 2.82V 2.387

6、5V2.測試CMOS與非門CD4011輸出低電平負載特性改變RL的阻值，用逐點法畫出CMOS與非門低電平輸出特性曲線，并以此估計=5V 時的導通電阻 測試電路如下輸入端接高電平，該電路的電路可以等效為本實驗中工作電壓VDD取5V， 輸入信號為高電平直流信號，直接接在VDD上即可實驗步驟(1) 電路連接完畢后，將變阻器調到最大位置，再開始進行實驗(2) 逐點改變RL的阻值，測量輸出電壓，并以此計算出輸出電流*注意事項每次在改變變阻器阻值時，都要斷電后再進行電阻的測量，而且計算時電阻的取值以實際測量值為準實驗數據記錄表如下RL()24k15k10k9.1k8.2k7.5k5.1k4.7k3.6k2

7、.4kVo(V)-0.00030.030.04870.0730.0810.09010.09890.14460.1580.210.31IoL(mA)00.2070.3290.4920.5390.5980.6520.951.0281.3281.95實驗后可以繪制Vo 與IoL的關系圖像，二者的比值應該是常數，該常數就是=5V 時的導通電阻 3. CMOS與非門CD4011的傳輸延遲時間,測試電路如下該實驗的輸入Vi是頻率為20kHz的方波信號，記錄輸入，輸出波形和傳輸延遲時間，*注意事項：要注意傳輸延遲時間的定義，是以輸入，輸出的幅值的一半對應的時間點為基準進行計算的數據記錄(ns)(ns)25

8、23四、選做任務觀察CMOS與非門CD4011的動態功耗測試電路如右：輸入信號為100Hz，0-5V的三角波，在門電路VSS和地之間接入一個小的電流取樣電阻，取樣電阻是用來將電流轉換為電壓，以觀察瞬時到導通電流的變化情況電阻R的取值范圍的確定：得到R上的瞬時電壓變化曲線后，可以從圖上讀出以及輸入輸出噪聲容限等數據五、實驗注意事項1，本實驗中門電路的工作電壓均由學習機上引出，其中第二題為12V，其余為5V.2，了解芯片的引腳排列，特別注意電源和接地引腳不能接錯。3，門電路的輸入信號的高低電平標準。05V和012V的三角波信號先在示波器上調好之后，才可以接到電路中。n 數據處理（原始數據記錄見預習

9、報告部分）1，CMOS與非門CD4011的電壓傳輸特性門電路的工作電壓：VDD = 5V(實測值為：5.02V)輸入信號的類型：鋸齒波（三角波） 頻率：100Hz 電壓值：05V數據記錄：閾值電壓輸入噪聲容限輸出噪聲容限 2.575V 2.82V 2.3875V計算公式：VNL = VOFF V OLMAX; VNH = VOHMIN VON;由示波器觀察到的電壓傳輸特性曲線如下圖：分析數據：由波形圖以及計算數據可得，CMOS與非門CD4011的電壓傳輸特性基本上與理想情況相同呈階梯狀，其轉折區曲線很陡，變化率很大，接近于躍變。同時，VDD = 5.02V，VTH = 2.575V,近似滿足V

10、TH = 0.5VDD的關系。因此，CMOS與非門CD4011接近于CMOS門理想特性。2，CMOS與非門CD4011輸出低電平負載特性。工作電壓：5V(實測值為：4.99V)輸入信號的類型：直流； 頻率：0Hz； 大小：5VR1 = 1.0k數據記錄：RL(k) 24k15k10k9.1k8.2k7.5k5.1k4.7k3.6k2.4kVO(V)-0.00030.03000.04870.0730.0810.09010.09890.14460.1580.210.31IOL(mA)00.2070.3290.4920.5390.5980.6520.951.0281.3281.95計算舉例：由式：I

11、OL = (VDD - VO) / RLRL = 24k時，IOL = (4.99 0.03) / 24 = 0.207mA逐點法做出CMOS與非門CD4011輸出低電平負載曲線如下：分析數據：線性擬合出負載特性曲線，此時的直線斜率即為RON(注意單位)，由曲線表達式可估算出VDD = 5V時，RON約為159.9。3,測試CMOS與非門CD4011的傳輸延遲時間tPHL,tPLH工作電壓：5V(實測值為：5.025V)輸入信號的類型：方波； 頻率：20kHz；大小：5V數據記錄：(ns)(ns)50 35用XY時基模式得到輸入輸出信號波形如下：（黃輸入；綠輸出） 分析數據：由預習報告中實驗原

12、理可知，由于MOS管寄生電容以及輸出端負載電容的存在，當輸入信號跳變的時候，輸出電壓的變化必然滯后于輸入電壓的變化，由此產生了傳輸延遲時間。將波形圖放大得到下圖，并得出上表格中的記錄數據。其中，tPHL與tPLH的數量均與理論相接近。n 實驗收獲與總結1， 本次實驗為本學期數電第二次實驗，通過本次實驗，初步掌握了數電實驗的基本接線方法，并對與非門電路的性質有了更深地了解。2， 本次實驗中第一次使用芯片進行接線。由于本次實驗的電路較為簡單，所以在接線過程中并未出現很大的錯誤。不過在最開始接線的時候采用了用很長的導線接線，發現這樣做問題很大，不但電路不穩而且不易于后續的檢查和調節，電路也不夠清晰。

13、除此之外接出來的電路有些混亂，不易于進行后續檢查。因此在以后的實驗中應該盡量保持接線的步驟，使用長短適宜的導線完成電路，并將線路盡量搭接清晰。3， 通過本次數電實驗，發現排錯能力非常重要。首先應當細心接線，不犯低級錯誤，其次，出現了意外之后，應當冷靜的思考，認真排查、找出根源、排除故障。本次實驗中出現的一些小問題（比如接觸不良、芯片燒毀等）都是非正常故障，應該通過實驗累積經驗，逐漸提高自己的排錯能力。4， 本次實驗中，在測量傳輸延遲時間時曾出現波形不穩定的情況，后調節了觸發模式，便穩定了下來。說明在使用示波器和調試方面還有很大的欠缺，以后實驗中應當注意。n 實驗思考題1，在CMOS數字集成電路中，如CD40