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使用CD4007陣列構(gòu)建CMOS邏輯功能

發(fā)布時(shí)間：2022-10-21 來(lái)源：ADI 責(zé)任編輯：wenwei

【導(dǎo)讀】本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的目標(biāo)是使用CD4007晶體管陣列構(gòu)建各種CMOS邏輯功能。CD4007包含三對(duì)互補(bǔ)的NMOS和PMOS晶體管。

使用CD4007晶體管陣列構(gòu)建反相器

圖1顯示了CD4007的原理圖和引腳排列。

圖1. CD4007 CMOS晶體管陣列引腳排列

多達(dá)三個(gè)單獨(dú)的反相器可由一個(gè)CD4007封裝陣列構(gòu)建而成。第一個(gè)配置最簡(jiǎn)單，如圖2所示，將引腳8和13連接在一起作為反相器輸出即可構(gòu)建。引腳6將作為輸入端。確保將引腳14(V_DD)連接到電源，引腳7(V_SS)連接到地。

圖2. 三個(gè)反相器

第二個(gè)反相器是通過(guò)將引腳2連接到V_DD 且將引腳4連接到 V_SS來(lái)構(gòu)建的。引腳1和5連接在一起作為輸出，引腳3作為輸入。第三個(gè)反相器是通過(guò)將引腳11連接到V_DD且將引腳9連接到V_SS來(lái)構(gòu)建的。引腳12為輸出，引腳10為輸入。

CMOS反相器特性表征

CMOS反相器有許多靜態(tài)(DC)和動(dòng)態(tài)(AC)性能特性，這些參數(shù)通常會(huì)固定的并需要測(cè)量。本部分我們將測(cè)量反相器的若干特性，但其他類型的門電路也可進(jìn)行相同的測(cè)量，本次活動(dòng)的后面部分會(huì)予以說(shuō)明。我們將從靜態(tài)特性開(kāi)始，包括閾值電壓、躍遷區(qū)域?qū)挾?、輸出源和灌電流?/p>

閾值電壓

通常，CMOS制造工藝經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)，使得NMOS和PMOS器件的閾值電壓V_TH大致相等，即互補(bǔ)。然后，反相器的設(shè)計(jì)人員調(diào)整NMOS和PMOS器件的寬長(zhǎng)比W/L，使其各自的跨導(dǎo)也相等。

說(shuō)明

在無(wú)焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖2所示的第一個(gè)反相器，以測(cè)試CMOS反相器的輸入到輸出開(kāi)關(guān)特性。圖3中的藍(lán)色框表示ADALM2000上的連接器所需進(jìn)行的連接。通過(guò)100Ω電阻將 V_P((5 V)電源連接到 V_DD （引腳14）以測(cè)量電源電流，并接地至V_SS （引腳7）。將波形發(fā)生器的輸出端連接到反相器輸入端（引腳6）以及示波器輸入端1+，并將反相器輸出端（引腳8和13）連接到示波器輸入端2+。將未使用的示波器負(fù)輸入端（1-、2-）接地通常也是一個(gè)好辦法。

圖3. 測(cè)量輸入閾值和躍遷區(qū)域的設(shè)置

硬件設(shè)置

配置波形發(fā)生器生成100 Hz三角波，峰峰值幅度為5 V，偏移為2.5 V。兩個(gè)示波器通道均應(yīng)設(shè)置為1 V/div。將示波器配置為XY模式，水平軸為通道1，垂直軸為通道2。

圖4. 測(cè)量輸入閾值和躍遷區(qū)域的試驗(yàn)板連接設(shè)置

程序步驟

首先使用示波器通道2測(cè)量反相器輸出電壓與輸入的關(guān)系；輸入掃描范圍為0 V至5 V，獲得類似圖5上方所示的曲線。

接著移動(dòng)通道2示波器輸入端2+和2-，以測(cè)量圖3中100Ω電阻R1上的電壓。您可能需要調(diào)整通道2的垂直刻度，以便獲得電流波形的最佳視圖。現(xiàn)在，輸入從0 V掃描到5 V，獲得I_D與輸入的關(guān)系圖。這應(yīng)當(dāng)與圖5中的底部曲線非常相似。

圖5. 反相器輸出電壓和電源電流曲線與輸入電壓的關(guān)系

圖6. Scopy屏幕截圖：反相器輸出電壓和電源電流曲線與輸入電壓的關(guān)系

輸入到輸出傳遞特性圖顯示了輸出電壓V_OUT與輸入電壓V_IN的關(guān) 系。請(qǐng)注意，當(dāng)輸入電壓從0 V增加到5 V時(shí)，輸出電壓從5 V降低到0 V。電源電流特性圖顯示了流經(jīng)V_DD和地之間晶體管的電流與輸入電壓V_IN的關(guān)系。當(dāng)輸入電壓接近地和 V_DD時(shí)，特性曲線有兩部分，并且V_DD和地之間沒(méi)有電流流動(dòng)，這些情況很有吸引力，因?yàn)樵诖穗A段沒(méi)有功耗。這就是為什么如今幾乎所有的數(shù)字電路都采用CMOS技術(shù)構(gòu)建的原因。

作為電源的一小部分，躍遷區(qū)域?qū)挾葧?huì)產(chǎn)生通常稱之為噪聲容限的性能度量，即輸出保持在恒定高或低電平下的部分輸入范圍。考慮到噪聲可能疊加于輸入信號(hào)上，因此希望輸出不會(huì)響應(yīng)小的輸入變化。窄躍遷區(qū)域也可能減少輸出在狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的時(shí)間量，從而降低NMOS和PMOS晶體管部分導(dǎo)通時(shí)的直通電流。

動(dòng)態(tài)性能

本部分我們將研究CMOS反相器的動(dòng)態(tài)特性，即反相器在輸入信號(hào)從低電壓切換到高電壓或從高電壓切換到低電壓時(shí)的行為以及相關(guān)功耗。

現(xiàn)在我們考慮由電壓脈沖驅(qū)動(dòng)的CMOS反相器。典型輸入/輸出波形如圖5所示。反相器的動(dòng)態(tài)行為延遲特性由兩個(gè)傳輸延遲時(shí)間T_HL和T_LH給出，如圖7所示。請(qǐng)注意，這些傳播時(shí)間根據(jù)中間電源電壓V_DD/2指定。

圖7. CMOS反相器傳輸延遲

圖8. CMOS反相器上升/下降時(shí)間

硬件設(shè)置

現(xiàn)在配置波形發(fā)生器生成500 kHz方波，峰峰值幅度為5 V，偏移為2.5 V。務(wù)必重新連接示波器通道2以測(cè)量輸出電壓波形。兩個(gè)示波器通道均應(yīng)設(shè)置為每格1 V。調(diào)整水平刻度，以便查看輸入和輸出波形的上升沿和下降沿，如圖7和8所示。

圖9. CMOS反相器試驗(yàn)板連接

程序步驟

配置示波器通道1和通道2以捕獲輸入和輸出信號(hào)的幾個(gè)周期。圖10為Scopy波形圖示例。

圖10. Scopy屏幕截圖：CMOS反相器傳輸延遲

測(cè)量

傳輸延遲T_HL和T_LH = 輸入躍遷（當(dāng) V_IN = V_DD/2時(shí)）與輸出躍遷（當(dāng) V_OUT = V_DD/2時(shí)）之間的時(shí)間。上升時(shí)間T_R = 波形從穩(wěn)態(tài)值的10%升至90%所需的時(shí)間。下降時(shí)間T_F = 波形從穩(wěn)態(tài)值的90%降至10%所需的時(shí)間。

使用CD4007晶體管陣列構(gòu)建CMOS施密特觸發(fā)器

說(shuō)明

施密特觸發(fā)器的輸入端（如圖11所示）連接到四個(gè)堆疊器件的柵極。上面兩個(gè)輸入端連接PMOS，下面兩個(gè)輸入端連接NMOS。晶體管M5和M6用作源極跟隨器，通過(guò)將輸出電壓V_OUT反饋到兩個(gè)NMOS和兩個(gè)PMOS器件之間的兩個(gè)堆疊中間點(diǎn)來(lái)引入滯回。

圖11. CMOS施密特觸發(fā)器電路

當(dāng) V_IN 為0 V時(shí)，晶體管M1和M3導(dǎo)通，而M2、M4和M5關(guān)斷。由于V_OUT 為高電平，因此M6導(dǎo)通并充當(dāng)源極跟隨器，而M2的漏極（也是M4的源極）位于V_DD至V_TH。如果輸入電壓上升至高于地一個(gè)閾值的水平，則晶體管M2開(kāi)始導(dǎo)通，M2和M6均會(huì)接通以形成分壓器網(wǎng)絡(luò)，以約一半的電源電壓對(duì)M4源極進(jìn)行偏置。當(dāng)輸入比1/2V_DD高一個(gè)閾值時(shí)，M4開(kāi)始導(dǎo)通且即將再次切換。輸入端的任何額外電壓都會(huì)導(dǎo)致V_OUT下降。當(dāng)V_OUT下降時(shí)，M6的源極跟隨其柵極，即V_OUT。M6在與M2形成的分壓器中的影響迅速減弱，使V_OUT 進(jìn)一步下降。同時(shí)，M5已開(kāi)始導(dǎo)通，其柵極通過(guò)快速下降的V_OUT變?yōu)榈碗娖?。處于?dǎo)通狀態(tài)的M5使M3源極變?yōu)榈碗娖讲㈥P(guān)斷M3。在M3關(guān)斷的情況下，V_OUT 會(huì)一直驟降到地。當(dāng)通過(guò)源極跟隨器晶體管的正反饋導(dǎo)致通過(guò)堆疊的環(huán)路增益大于1時(shí)，會(huì)發(fā)生咬合動(dòng)作。當(dāng)輸入再次變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，堆疊上部會(huì)發(fā)生類似過(guò)程，并且當(dāng)達(dá)到閾值下限時(shí)會(huì)發(fā)生咬合動(dòng)作。

硬件設(shè)置

在無(wú)焊試驗(yàn)板上，構(gòu)建圖11所示的施密特觸發(fā)器電路以測(cè)試輸入到輸出開(kāi)關(guān)特性，就像使用普通反相器所做的那樣。

配置波形發(fā)生器生成1 kHz三角波，峰峰值幅度為5 V，偏移為2.5 V。兩個(gè)示波器通道均應(yīng)設(shè)置為每格1 V。將示波器配置為XY模式，水平軸為通道1，垂直軸為通道2。

圖12. CMOS施密特觸發(fā)器電路試驗(yàn)板連接

程序步驟

使用示波器通道2測(cè)量輸出電壓與輸入的關(guān)系；輸入掃描范圍為0 V至5 V，與使用簡(jiǎn)單反相器一樣，可得到一個(gè)波形圖。

圖13. CMOS施密特觸發(fā)器Scopy圖

使用CD4007晶體管陣列制作NAND/AND門

如圖14所示，一個(gè)2路輸入NAND門和一個(gè)反相器可由一個(gè)CD4007封裝陣列構(gòu)建而成。通過(guò)將引腳12和13連接在一起作為NAND輸出端來(lái)配置NAND門，如圖14所示。引腳14和引腳11連接到V_DD以獲得電源，引腳(V_SS)連接到地。應(yīng)將引腳9連接到引腳8以構(gòu)成NAND門的N側(cè)。引腳6將作為A輸入端，引腳10將作為B輸入端。