实验二_门电路的特性

1、实验二 门电路的特性(终结报告)n 预习报告（记录有原始数据）一 实验目的1. 在理解CMOS门电路和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”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，用示波器进行实际测量，判断调节是否正确应该以示波器

2、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)中最高值为2V，最低值为-2V 图(b)中最高值为4V，最低值为0V（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

3、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VDD=5V；（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

4、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，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=min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

5、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 CD4011引脚图如下Vi 输出100Hz,0-5V的锯齿波，因此工作电压=5V， 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；阈值电压输入噪声容限输出噪声容限 2.575V 2.82V 2.387

6、5V2.测试CMOS与非门CD4011输出低电平负载特性改变RL的阻值，用逐点法画出CMOS与非门低电平输出特性曲线，并以此估计=5V 时的导通电阻 测试电路如下输入端接高电平，该电路的电路可以等效为本实验中工作电压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(2) 逐点改变RL的阻值，测量输出电压，并以此计算出输出电流*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()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=5V 时的导通电阻 3. CMOS与非门CD4011的传输延迟时间,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，*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(ns)(ns)25

8、23四、选做任务观察CMOS与非门CD4011的动态功耗测试电路如右：输入信号为100Hz，0-5V的三角波，在门电路VSS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。n 数据处理（原始数据记录见预习

9、报告部分）1，CMOS与非门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：阈值电压输入噪声容限输出噪声容限 2.575V 2.82V 2.3875V计算公式：VNL = VOFF V OLMAX; VNH = VOHMIN VON;由示波器观察到的电压传输特性曲线如下图：分析数据：由波形图以及计算数据可得，CMOS与非门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

10、TH = 0.5VDD的关系。因此，CMOS与非门CD4011接近于CMOS门理想特性。2，CMOS与非门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数据记录：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计算举例：由式：I

11、OL = (VDD - VO) / RLRL = 24k时，IOL = (4.99 0.03) / 24 = 0.207mA逐点法做出CMOS与非门CD4011输出低电平负载曲线如下：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 = 5V时，RON约为159.9。3,测试CMOS与非门CD4011的传输延迟时间tPHL,tPLH工作电压：5V(实测值为：5.025V)输入信号的类型：方波； 频率：20kHz；大小：5V数据记录：(ns)(ns)50 35用XY时基模式得到输入输出信号波形如下：（黄输入；绿输出） 分析数据：由预习报告中实验原

12、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，tPHL与tPLH的数量均与理论相接近。n 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。

13、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的欠缺，以后实验中应当注意。n 实验思考题1，在CMOS数字集成电路中，如CD40