实验二 CMOS集成逻辑门的参数测试

实验二 CMOS集成逻辑门的参数测试

一．实验目的

1．了解CMOS集成门电路的基本性能和使用方法。 2．学习CMOS集成门电路主要参数的测试方法。

二．实验原理

CMOS逻辑门电路由NMOS和PMOS管组成。它具有功耗低、电源电压范围广、输出逻辑电平摆幅大、噪声容限高、输入阻抗高、制造工艺简单、可靠性高等优点。

本实验所用CMOS与非门型号为CD4011，是2输入端四与非门。内部逻辑图及引脚排列如图2—1（a）、（b）所示。

（a） （b）

图2—1

1．CMOS与非门的逻辑功能

尽管CMOS与非门内部电路结构与TTL与非门不同，但它们的逻辑功能是完全一样的。 2．CMOS与非门的主要参数

CMOS与非门主要参数的定义及测试方法与TTL相仿，简述如下： （1）静态功耗PD 导通功耗PDL=IDLUDD

截止功耗

PDH=IDHUDD

测试电路如图2—2（a）、（b）所示，CMOS电路的静态功耗非常低，一般为微瓦数量级。

（2）输出高、低电压UOH和UOL

输出高、低电平通常是指在输出端不带任何负载的情况下测量的。当输入端全部接高电平时，测得的输出电平就是UOL（?OV）；当输入端有一个为低电平时，测得的输出电平就是UOH（?UDD）

（a） （b）

图2—2

（3）拉电流和灌电流负载能力

（a）图2—3（a）所示电路中，输入端接低电平，输出端接拉电流负载RL，调节RL，当UOH下降到10V时所对应的负载电流即为允许的拉电流IOH。图中RO=1k?是采样电阻，只要测出Ro上的电压URO，即可求得：

IOH= URORO

（b）图2—3（b）所示电路，输入端接高电平，输出端接灌电流负载RL，调节RL，当UOL上升到0.5V时所对应的负载电流即为IOL。此时，

IOL= URORO

（a） （b）

图2—3

（3）电压传输特性

CMOS门电路电压传输特性的测量方法类似于TTL门电路。图2—4 为逐点测量电压传输特性的实验电路。

图2—4

CMOS与非门CD4011的主要参数规范（UDD=10V） a．静态电源电流 ≤5?A e．最大允许电压 18V b．输出低电平 0.1V f．最小允许电压 3V

c．输出高电平 9.5V g．输出延迟时间 tpH 300～150ns tpL d．输出驱动电流 300～150ns IOL?300?bA IOH?300?A h．输入电容 5PF 3．CMOS电路使用注意事项

（1）UDD接电源正极，USS接电源负极（通常接地），电源绝对不容许反接。 （2）电源电压使用范围＋3V～＋18V，实验中一般要求使用＋12V或＋5V电源。工作在不同电源电压下的器件，其输出阻抗，工作速度和功耗等参数也会不同，在设计、使用中应引起注意。

（3）器件输入信号ui，要求USS?Ui?UDD。

（4）闲置输入端一律不准悬空，输入端悬空，不仅会造成逻辑混乱，而且容易损坏器件。

闲置输入端的处理方法：

a．按照逻辑要求，直接接UDD或USS。

b．工作速度不高的电路中，允许与有用输入端并联使用。

（5）输出端不允许直接与UDD或USS连接，否则将导致器件损坏。

（6）除三态器件外，一般不允许几个器件输出端并接使用。为了增加驱动能力，允许把同一芯片上电路并联使用，此时器件的输入端与输出端均对应相连。

（7）电烙铁和测试仪器外壳必须良好接地。

（8）若信号源与CMOS器件使用两组电源供电，应先开CMOS电源，并最后关闭CMOS电源。

三．实验设备及器件

1．示波器（自备）；

2．直流电压表、毫安表

3．CMOS二输入四与非门CD4011×1

四．实验内容

取UDD+12V、USS接地。按CMOS集成电路使用规则接线及操作。 1．验证CD4011的逻辑功能

参考实验一有关部分，记录测试结果。 2．测量静态功耗PO

按图2—2（a）接线，测量IDL，计算POL。记录之。 按图2—2（b）接线，测量IDH，计算POH。记录之。 3．测量输出高电平UOH及输出低电平UOL。 4．测量拉电流负载能力IOH及灌电流负载能力IOL。 按图2—3（a）接线，测量URO，计算IOH。 按图2—3（b）接线，测量URO，计算IOL。 5．测量电压传输特性

（1）取UDD=12V，逐点测量电压传输特性，并从中读出有关参数值。记录表2—1。 表2—1 Ui（V） Uo（V） 表2—2 Ui（V） Uo（V）

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.0 … 0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 … （2）取UDD=5V，重复（1）内容。记录表2—2中。

五．实验报告

1．整理实验数据，绘出实验曲线和波形。

2．比较CMOS和TTL与非门参数，并总结电路的特点。 3．比较CMOS和TTL与非门的电压传输特性，分析它们的特点。