实验二-门电路的特性

1、实验二-门电路的特性实验二 门电路的特性（终结报告）预习报告（记录有原始数据）一. 实验目的1. 在理解CM0S1电路和TTL门电路的工作原理和电特性基础上，学习并掌握 其电特性主要参数的测试方法。2. 学习并掌握数字集成电路的正确使用方法二. 预习任务1,回顾实验一“常用电子仪器使用”，回答下 列问题：（1）如何调整函数发生器，使其输出100Hz、 05V的三角波信号？选择三角波输出选项，通过“ 50 Q ”输 出端连接示波器观察波形，通过调节函 数信号发生器的频率旋钮，调节频率至 100Hz,Vp-p为5V,将示波器的参考电 平位置设置在三角波的最低值处，得到 0-5V的三角波，用示波器进

2、行实际测 量，判断调节是否正确应该以示波器的 测量结果为准。（2） 用示波器观测到如图1所示的a、b两个 信号，假设此时示波器的垂直定标（灵敏度）旋钮位置分别为1V/格和2V/格，请写出它们的最高值和最低值解：图(a)中最咼值为2V,最低值为-2V 图(b)中最高值为4V,最低值为0V1FL1|i1t1i111k1I1kH卜L r 一三r=LJr1rIIi*1I41IiIINilrr*55-a-=!rA汗rr寸J111 /Ir I “71IiZ-Z.早斗-1 -人 Tkz -/iA*V/J1 F/1I/1Lf亠、K X .11*1N1JI1P9LJJ1 1e1|11J11HI1t1P1 TBJ

3、prr11i111i111tii1 rrTrr1T_1i11i4Ii1111 (a)垂直定标为IV怖tbJ垂直定杯为2V.格(3) 电压传输特性曲线是指输出电压随输入 电压变化的曲线。示波器默认的时基模式为“标准(YT)模式”显示的是电压随时间变化 的波形，若要观测电压传输特性曲线，需改变 示波器上哪些菜单或旋钮？解：示波器默认的时基模式为“标准(YT)模式”，若要观察电压传输特性， 应该将时基模式调节为XY模式。具体 调节方法如下： 按下【Horiz】按钮，在“水平设置菜单”中，按下时间模式， 然后改变时基模式由原来的“标准”变 为“ XY模式”。（4）用示波器观测两路信号时，如何调 整示波

4、器使波形稳定的显示在屏幕上 ？ 应该合理设置触发源和触发电平使得波 形稳定，调节【Trigger】旋钮2，仔细阅读数字电子技术基础第三章相关内容，并结合各项任务完成以下内容。（1）写出各测试电路中门电路的工作电压。测试电路1, 工作电压VDd=5V;测试电路2，Vdd=12V;测试电路3,工作电压为h=5J;（2）写出各测试电路输入信号的类型、频率、 电压值。测试电路1，(3) 什么是阈值电压？什么是噪声容限？在 电压传输特性曲线中如何读取？解：阈值电压：通常将传输特性曲线中输出 电压随输入电压改变而急剧变化转折区的 中点对应的输入电压称为阈值电压；噪声容限：是指在前一极输出为最坏的情 况下，

5、为保证后一极正常工作，所允许的最 大噪声幅度；高电平噪声容限=最小输出高电平电压- 最小输入高电平电压低电平噪声容限=最大输入低电平电压- 最大输出低电平电压噪声容限=mi n高电平噪声容限，低电平 噪声容限(4) 写出各项任务的测试方法及步骤。步骤见各任务；(5) 列出各项任务记录数据的表格。表格见各任务；(6) 写出测试过程中的注意事项。测试2:每次在改变变阻器阻值 时，都要断电后再进行电阻的测量，而且计算时电阻的取值以实 际测量值为准；测试3:要注意传输延迟时间的定义，是以输入，输出的幅值的 一半对应的时间点为基准进行 计算的数据记录(7) 根据选做任务内容分析图5电路，试着给 出取样电

6、阻R的阻值范围。三必做任务1. CMOS与非门CD4011的电压传输特性cwt) II10kOCD4011引脚图如下% |bJknV 1itj4ii3td1ir,L-CipVi 输 出 100H乙0-5V的锯 齿波，因此工作电 压 Vdd=5V, Vss 接地 实验步骤：(1) 连接电路， 注意芯片的放置方式以及引脚的位置(2) 利用示波器观察函数信号发生器产生的 波形符合要求后，再将信号接到输入端(3) 将示波器调到XY工作方式，CH1接输入， CH2接输出(4) 观察电压传输特性，读取并标注和记录数 据；实验数据记录表格 工作电压实测：4.99V ；阈值电压vTh输入噪声容限Vnh输出噪声

7、 容限Vlh2.575V2.82V2.3875V2.测试CMO与非门CD4011 俞出低电平负载特性改变RL的阻值，用逐点法画出CMOS!非门低电平输出特性曲线，并以此估计Vdd =5V时的导通电阻 tpLH如下输入端接高电平，该电路的电路可以等效为- r 1 r r s - Ir i r - i - s ! r !- i - i i rdi-a i a r i n i i a * I n r i n r i e i ”iim : *i n5V a n n n u a a n n a i r n r n a n r r a VDD.商：1 ll-1:-VDUl!asuoovss本实验中工作电压

8、VDD取5V,输入信号为高电 平直流信号，直接接在VDD上即可 实验步骤(1)电路连接完毕后，将变阻器调到最大位置， 再开始进行实验 逐点改变RL的阻值，测量输出电压，并以 此计算出输出电流Vth*注意事项每次在改变变阻器阻值时，都要断电后再进行电 阻的测量，而且计算时电阻的取值以实际测量值 为准 实验数据记录表如下RL( Q )oo24k15k10k9.1k8.2k7.5k5.1k4.7k3.6k2.4kVo(V)-0.00030.030.04870.0730.0810.09010.09890.14460.1580.210.31loL(mA)00.2070.3290.4920.5390.59

9、80.6520.951.0281.3281.95实验后可以绘制 Vo与IoL的关系图像，二者的比值应该是常数，该常数就是Vdd =5V时的导通电阻Vdd3. CMOS与非门CD4011的传输延迟时间tpHL, tpLHl _ KmVt一一CD40H50% 尬怙jf叫缶I0L-H4t测试电路如下 该实验的输入Vi是频率为20kHz的方波信号， 记录输入，输出波形和传输延迟时间tpHL，tpLH *注意事项：要注意传输延迟时间的定义，是以输入，输出的 幅值的一半对应的时间点为基准进行计算的数据记录tpHL (ns)tPLH (ns)2523四、选做任务 观察CMOS与非门CD4011的动态功耗F

10、SS接示彼器A测试电路如右：输入信号为100Hz, 0-5V的三角波，在门电路 Ms和地之间接入一个小的电流取样电阻， 取样电 阻是用来将电流转换为电压，以观察瞬时到导通 电流的变化情况电阻R的取值范围的确定：得到R上的瞬时电压变化曲线后，可以从图上读 出vTh以及输入输出噪声容限等数据五、实验注意事项1,本实验中门电路的工作电压均由学习机上引 出，其中第二题为12V，其余为5V.2，了解芯片的引脚排列，特别注意电源和接地 引脚不能接错。3，门电路的输入信号的高低电平标准。05V和 012V的三角波信号先在示波器上调好之后，才 可以接到电路中。数据处理（原始数据记录见预习报告部分）1，CMO与

11、非门CD4011的电压传输特性门电路的工作电压：VDD= 5V（实测值为：5.02V）输入信号的类型：锯齿波（三角波） 频率：100Hz电压值:05V数据记录：阈值电压vTh输入噪声容限VNH输出噪声 容限Vlh2.575V2.82V2.3875V计算公式：VNL = V OFF - V OLMAXV NH= V OHMIN - VON由示波器观察到的电压传输特性曲线如下图:o阿荃橫蛊分析数据：由波形图以及计算数据可得，CMOS!非门CD4011的电压传输特性基本上与理想情况相同呈阶梯状， 其转折区曲线很陡，变化率很大，接近于跃变。同时，vDD= 5.02V, VTH=2.575V,近似满足V

12、TH= 0.5VDD的关系。因此，CMO与非 门CD4011接近于CMO门理想特性。2，CMOS!非门CD4011输出低电平负载特性。工作电压：5V（实测值为：4.99V）输入信号的类型：直流； 频率：0Hz;大小：5VR1 = 1.0k Q数据记录:RL(k Q)oo24k15k10k9.1k8.2kvOV)-0.0003 CL0300 0.0487 0.073 0.081 0.09(：)1 0I OL(mA)00.2070.3290.492 (0.539 0.598计算举例:由式：| OL = (V DD- v O / R LrL = 24k Q 时,I OL= (4.99- 0.03)

13、/ 24 = 0.207mA逐点法做出CMO与非门CD4011输出低电平负载曲线如下:CMOS氐电平输出负载特性曲线0.50.4y = 0.1599x -0.0043R2= 0.99940.31.95, 0.310.20.10.652, 0.09890.539, 0.0810.492, 0.0730.207, 0.031.328, 0.211.028, 0.1580.95, 0.14460.598, 0.09010.329, 0.04870, -0.00031.52.53.5-0.1IOL / mA分析数据：线性拟合出负载特性曲线，此时的直线斜率即为RON注意单位），由曲线表达式可估算出vDD

14、= 5V时，RON约为 159.9 Q。3,测试CMO与非门CD4011的传输延迟时间tPHLtPLH工作电压：5V（实测值为：5.025V）V|_二输入信号的类型：方波； 频率：20kHz;CD40H大小：5V数据记录：tPHL (ns)tPLH (ns)5035用XY时基模式得到输入输出信号波形如下：（黄一输入；绿一输出）僱弃藏西 | 回凋英虚賤首療關慣下*0( 7T分析数据：由预习报告中实验原理可知，由于MOS管寄生电容以及输 出端负载电容的存在，当输入信号跳变的时候，输出电压的变化必然 滞后于输入电压的变化，由此产生了传输延迟时间。将波形图放大得 到下图，并得出上表格中的记录数据。其中

15、，tPHL与tPLH的数量均 与理论相接近。迪迫1*实验收获与总结1,本次实验为本学期数电第二次实验， 通过本次实验，初步掌握了数电实验的基本接线方法，并对与非门电路的性质有了更深地了解2，本次实验中第一次使用芯片进行接线。由于本次实验的电路较 为简单，所以在接线过程中并未出现很大的错误。不过在最开始 接线的时候采用了用很长的导线接线，发现这样做问题很大，不 但电路不稳而且不易于后续的检查和调节，电路也不够清晰。除 此之外接出来的电路有些混乱，不易于进行后续检查。因此在以 后的实验中应该尽量保持接线的步骤，使用长短适宜的导线完成 电路，并将线路尽量搭接清晰。3，通过本次数电实验，发现排错能力非常重要。首先应当细心接线，不犯低级错误，其次，出现了意外之后，应当冷静的思考， 认真排查、找出根源、排除故障。本次实验中出现的一些小问题（比如接触不良、芯片烧毁等）都是非正常故障，应该通过实验 累积经验，逐渐提高自己的排错能力。4，本次实验中，在测量传输延迟时间时曾出现波形不稳定的情况，后调节了触发模式，便稳定了下来。说明在使用示波器和调 试方面还有很大