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1、TTL集成逻辑门参数测试 作者： 日期：2 个人收集整理，勿做商业用途实验三 TTL与CM0S集成逻辑门的参数测试一、实验目的1.掌握TTL“与非门”主要参数的意义及测试方法。2.掌握CMOS“与非门”主要参数的意义及测试方法。3.掌握TTL器件、CMOS器件的使用规则。二、实验原理 在数字电路设计时，要使用各种门电路。门电路的参数的好坏，在很大程度上影响整机的性能和可靠性。 本实验通过测试TTL型 74LS00和CMOS型CD4011两种四输入与非门的主要参数，掌握两类常用门电路的主要参数和测试方法。74LS00和CD4011集成电路外引脚排列图如图3-1(a)、(b)所示。(a)74LS0
2、0 (b) CD 4011 图3-1 74LS00和CD4011集成电路外引脚排列图门电路的参数按时间特性分为两种：静态参数和动态参数。静态参数指电路处于稳定的逻辑状态下测得的参数；而动态参数则指逻辑状态转换过程中与时间有关的参数。本讲义介绍的门电路参数和测试方法系根据“中国电子技术标准化研究所”出版的标准集成电路数据手册系列中TTL电路、TTL电路增补本、CMOS4000T和高速CMOS电路材料编写，符合国家标准GB4589.1-84半导体集成电路总规范。（一）TTL与非门主要参数1推荐工作条件常见TTL门电路最佳工作条件如表3.1所示。表3.1 推荐工作条件 型号参数名称7400系列74L
3、S00系列单位最小额定最大最小额定最大电源电压VCC4.555.54.555.5V输入高电平电压VIH22V输入低电平电压VIL0.80.8V输出高电平电流IOH-400-400A输出低电平电流IOL168mA2电源电流包括输出低电平时电源电流ICCL、输出高电平时电源电流ICCH。与非门处于不同的工作状态时，电源提供的电流是不同的。ICCL是指输入全部高电平，输出为低电平且空载时，电源提供给器件的电流。ICCH是指每个门各有一个以上输入端为低电平（或接地），输出为高电平和空载时，电源提供给器件的电流。通常ICCLICCH ，它们的大小标志着器件静态功耗的大小。器件的最大功耗为PCCVCCIC
4、CL （PCC 空载导通功耗指输入全部为高电平、输出为低电平且不带负载时的功耗，VCC 电源电压）。手册提供的电源电流和功耗值是指整个器件的电源电流和总的功耗。ICCL和ICCH测试电路如图3-3（a）所示。 【注意】TTL器件对电源电压要求较严格，电源电压VCC只许在5V10的范围内，超过5.5V将损坏器件，低于4.5V器件的逻辑功能不正常。低电平输入电流IIL与高电平输入电流IIHIIL是被测输入端接低电平0.2V、其余输入端悬空时，流经此输入端的电流值。（注：实验中可将输入端接地，这时测得为输入短路电流IIS，IISIIL。实际IIS的数值比IIL的数值约大一点）。在多级门电路中，IIL
5、为前级门输出低电平时，后级门的输入端向前级门灌入的电流，它会影响到前级门输出的低电平值（使输出低电平升高）。 IIH是被测输入端接高电平，其余输入端接地，流入被测输入端的电流值（也称输入漏电流IIH）。在多级门电路中，IIH是前级门输出为高电平时，流入后级门输入端的电流，它会影响到前级门输出的高电平值（使高电平降低）。由于IIH较小（IIH 为A级，而II 为mA级），用一般万用表难以测出。IIH 、II的测量电路如图3-3(b)、(c)所示。输入电流的值越小越好，可使输出门带动较多的同类门电路。4输入高电平电压VIH、输入低电平电压VILVIH2V VIL0.8V5输出高电平电压VOH 、输
6、出低电平电压VOL: 输出高电平电压VOH：输入端在施加规定电平下，被测输出端接拉电流负载，输出为高电平时的电压。对74LS00型门电路，测量时一个输入端接低电平（0.2V或接地），调节拉电流负载使输出电流IOH= - 400A时，VOH 2.4V。输出低电平电压VOL：输入端在施加规定电平下，被测输出端接灌电流负载，输出为低电平时的电压。对74LS00型门电路，测量时全部输入端接高电平（或悬空），调节灌电流负载使输出电流IOL= 8mA时，VOL 0.4V。 6高电平输出电流IOH 、低电平输出电流IOL由生产厂规定的额定输出电流值。对74LS型门电路，IOH= - 400A（由输出端流出）
7、，IOL=8mA（由外部灌入）。7扇出系数NONO是指门电路能正常驱动同类门的个数，它是衡量门电路带负载能力的一个参数。TTL与非门有两种不同性质的负载，即灌电流负载和拉电流负载，因此有两种扇出系数，即低电平扇出系数NOL和高电平扇出系数NOH 。应选择两者中小的为电路的扇出系数NO 。74LS00以NOL作为门的扇出系数。 通常NOL8电压传输特性 门电路的输出电压VO随输入电压Vi的变化用曲线描绘出来，称为门电路的电压传输特性，通过它可读得门电路的一些重要参数，如输出高电平电压VOH、输出低电平电压VOL、 关门电压Voff、开门电压Von 、阈值电压VT及抗干扰噪声容限VNL、 VNH等
8、值。测试电路如图3-3(e)所示，采用逐点测试法，调节RW 逐点测Vi及Vo，然后绘成曲线。其中： 阀值电压VT：指传输特性曲线的转折区所对应的输入电压，也称门槛电压。VT是决定与非门电路工作状态的关键值。ViVT时，门输出低电平VOL，ViVT时门输出高电平VOH。 关门电压Voff：在保证输出为额定高电平的90条件下，允许的最大输入低电平值。 开门电压VON：在保证输出为额定低电平时，所允许的最小输入高电平值。 Voff 和VOn 表明了在正常工作情况下，输入电平的极限值。即如果与非门可靠输出高电平，则必ViVoff ，而要可靠输出低电平则必ViVon。 VNL 低电平噪声容限：在保证输出
9、高电平不低于额定值的90的前提下，允许叠加在输入低电平的噪声。VNLVoffVIL 。 VNH 高电平噪声容限：在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平的噪声。 VNHVIHVon。噪声容限是用来说明门电路抗干扰能力的参数，噪声容限大，则抗干扰能力强。图3.2 门电路延迟时间9平均传输延迟时间tpd tpd是衡量门电路开关速度的参数，是指输出波形相对于输入波形的滞后时间。它包括导通延迟时间和截止延迟时间，如图3-2所示。图中的tpdL为导通延迟时间，也称为“输出由高电平至低电平的传输延迟时间tPHL”；tpdH为截止延迟时间，也称为“输出由低电平至高电平的传输延迟时间tPLH”。其数值为
10、由输入波形的UREF处至输出波形对应边沿UREF处的时间间隔（UREF是参考电压值，对74LS型门电路UREF = 1.5V）。平均传输时间是导通延迟时间和截止延迟时间的算术平均值：tpd=0.5（tpdLtpdH）平均传输时间的测量可采用两种方法，我们分别用于测量TTL门电路和CMOS门电路。使用双踪示波器测量平均传输时间：测试电路如图3-3（g）所示，由于单个TTL门电路的延迟时间较小（纳秒数量级），使用一般的示波器不易直接观察和测量，所以我们将多个（例如4个）门电路串起来，经4级延迟后，最后输出信号的延迟时间为单个门延迟时间的4倍，这样便于用示波器观察。测量时，将信号发生器输出的500K
11、Hz 的TTL脉冲加入在第一级门的输入端，在最后一级门电路输出经延时后的方波脉冲，将输入方波和输出方波脉冲分别加在双踪波示波器的Y1和Y2两个输入端。得到4级门的传输延迟时间。则单个门的平均延迟时间为：tpd0.5（tpdLtpdH）4 。 （二）CMOS门电路参数CMOS门电路的的特点是： 功耗低，其静态工作电流在10-8A数量级，是目前数字电路中最低的。 输入阻抗高，通常大于1010，远远高于TTL的输入阻抗。 接近理想传输特性曲线，输出高电平可达电源电压的90%以上，低电平可达电源电压的0.1%以下，因此输出逻辑电平的摆幅很大，噪声容限很高。 电源电压范围广，可在3V 18V范围内正常运
12、行。 由于输入阻抗很高，要求驱动电流很小，约0.1A，输出电流在+5V电源下约500A(远远小于TTL电路)，如以此来驱动同类门电路，其扇出系数将非常大。在一般低频率时，无需考虑扇出系数，但在高频时，后级门的输入电容将成为主要负载，使其扇出能力下降，所以在较高频率工作时，CMOS 电路的扇出系数一般取1020。 CMOS 门电路的参数定义与测试方法与TTL门电路大致相同，不再赘述。下面只介绍使用单踪示波器测量平均传输时间的方法。使用单踪示波器测量平均传输时间的方法：由于CMOS门电路的传输延迟时间较长(约为TTL的10倍)，较易观察。所以可以采用单踪示波器进行测量。采用单踪示波器的测试精度较高
13、，能够免除由双踪示波器Y1、Y2两个通道传输时间不一致所带来的误差。采用由奇数个与非门组成的环形振荡器，通过测量振荡周期T来间接求得。其工作原理是：假设电路在接通后某一瞬间，电路中的A点为逻辑1，经过三级门的延迟后，使A点电平由原来的1变为0;再经过三级门的延迟后，A点电平又重新回到逻辑1，输出一个完整的方波。如此周而复始，A点便有持续的方波输出。由于A点电平由低变高需要经过3级门的传输延迟，由高变低又要经过3级门的延迟，所以一个周期中包含6级门的延迟。每个门的平均延迟时间为：三、实验内容及步骤（一）TTL门电路参数测试：选用四2输入与非门74LS00一块。首先检验其所有门的逻辑功能，在模拟实
14、验箱合适的位置选14P插座，连接电源线5V和地线，门的两个输入端接逻辑开关K1、K2，提供输入逻辑信号0、1，开关向上输出逻辑1，向下输出逻辑0。门的输出端接由LED发光二极管组成的状态指示灯，亮为逻辑1，不亮为逻辑0，根据Y=的关系逐个门进行检验，正确后，才能进行下面参数测试。实验中为节省时间，对TTL电路需要接高电平VOH的输入端可以悬空，接低电平VOL的输入端可以接地，但CMOS电路的输入端不允许悬空(必须按门电路逻辑关系将输入端接电源VDD或VSS)。1TTL与非门参数测试 （注：各门的闲置端悬空） 输出低电平时电源电流ICCL：测试电路的接线见图3-3(a)。用数字万用表测电流、用500型万用表测电压。逻辑开关K1、K2置1（电平)合上电源开关读出ICCL和Vcc值。 输出高电平时电源电流ICCH：测试电路的接线见图3-3(a);用数字万用表测电流。逻辑开关K1或K2置0（低电平），再合上电源开关读出ICCH值。 低电平输入电流IIL:测试电路
