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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：II
2、S：与非门某输入端接地时，该输入端接入地的电流。（2）输入高电平电流 IIH：与非门某输入端接 VCC（5V），其他输入端悬空或接 VCC时，流入该输入端的电流。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=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=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=）所需的最小电阻值。（6）关门电阻 ROFF：某输入端
3、对地接入电阻（其他悬空），使输出端保持高电平 VOH（通常以 VO=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=时允许的最大灌流（如图 4）；（8）输出高电平负载电流 IOH：输出保持高电平 VO=时允许的最大拉流；（9）平均传输延迟时间 tpd：1 开通延迟时间 tOFF：输入正跳变上升到相对输出负跳变下降到的时间间隔；2 关闭延迟时间 tON：输入负跳变上升到相对输出正跳变下降到的时间间隔；3 平均传输延迟时间：开通延迟时间与关闭延迟时间的算术平均值。tpd=（tON+tOFF）/2 TTL 与非门平均
4、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,VOL,VON,VOFF,VT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
5、CMOS 反相器，为电压控制器件，故当输入信号介于 0Vdd 时，Ii=0；多余输入端不允许悬空；（2）输出低电平 Iol：使输出保持电平 Vo=V 时允许的最大灌流；（3）输出高电平负载电流 Ioh：使输出保持高电平 Vo=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)=nIih(max)Iol(max)=mIil(max)三、实验仪器 示波器，函数信号发生器，“四
6、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）IIS、VOH、IIH、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 IIS。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（CMOS）为时，电流表测量
7、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，当输出电压下降到时，电流表测量值为 IOH。（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=T/6.（5）将上述测量参数填入表一 表一 TTL 参数 参数 IIS IIH VOH VOL IOH IOL tpd TTL CMOS 0V 2、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=200H
8、z，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，VOL。3、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 器件 TTL 器件 CMOS 器件 参数 VOH VOL VON VOFF VOH VOL VT 测量值 20mV 675mV 0V 5、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 C
9、MOS 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 TTL CMOS TTL CMOS 带 4 个 TTL CMOS TTL Vo Vo Vo Vo VIL 0V 0V VLH 5V 5V 7、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
10、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：=100，Icm=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）8、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、CMOS 的相关知识。此次实验的实验原理都比较简单，属于验证性实验，但需要验证的内容比较多，且我的操作不是很熟练，所以做起来操作时间长，但是总的来说过程还是比较顺利的。我在连接 1 个 CMOS 带 4 个 TTL 时，四个 TTL 并联一开始没接好，导致测得数据错误，后经自己检查发现了问题，电路没能一次性接好说明我的连接电路能力还有待提高。