实验十四--TTL、CMOS门电路参数及逻辑特性的测试

1、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： I IS： 与非

2、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 I IH：Vcc时，流入该输入端的电流。与非门某输入端接 Vx （ 5V），其他输入端悬空或接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 R

3、OFF：某输入端对地接入电阻（其他悬空），使输出端保持高电平V）h （通常以 V=0.9Vh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1。比输出保持高电平 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；1.5V的时间间隔;tpd= ( t ON+t OFF) /2关闭延迟时间tN：输入负跳变上升到1.5V相对输出正跳变下降到平均传输延

4、迟时间：开通延迟时间与关闭延迟时间的算术平均值。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,V OL,V ON,V OFF,V T 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

5、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，li=0;多余输入端不允许悬空；（2）输出低电平lol :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 loh ：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。（三）TTL电路与CMOS电路的接口设计：（图见书上）Voh（ min ） =V1h（min） Vol（max）=Vil（max）

6、lon（max）=nlih（max） lol（max）=mlil（max）三、实验仪器示波器，函数信号发生器， “四位半”数字多用表，多功能电路实验箱四、实验内容1、TTL、CMOS与非门主要参数的测量（ 1 ） llS、 VOH、 llH、 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lIS。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

7、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。朋12图卩力崗国图 图口丁tl垃；上(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=T6.(a) TIL平均传输肘间测审图(b) CMOS f 输时间蒯图(5 )将上

8、述测量参数填入表 表一 TTL参数参数IISIIHVOHVOLIOHIOLtpdTTL0.9534mA9.942uA3.456V0.1837V7.75 nsCMOS10.443V0V74.25ns2、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, VOL3、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

9、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

10、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：B =100, lcm=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）&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、CMO的相关知