實驗六之1
實驗六 TTL和CMOS邏輯閘
零件
74LS00 二枚；
CD4011 二枚；
電阻 1kΩ 五枚。
目的
研習TTL和CMOS邏輯閘之基本特性。
相關知識
1. TTL和CMOS邏輯閘線路結構及基本輸入輸出特性。
2. 組合邏輯。
3. TTL NAND閘74LS00及CMOS NAND閘CD4011B 的接腳請參考附錄一。
實驗前請閱讀TTL和CMOS相關之補充資料。
預習問題
1. 請參考補充資料畫出TTL和CMOS的輸出—輸入特性曲線。
2. 以NAND閘為基本元件，組合設計出一個 AND閘和一個OR閘。
3. 用NAND閘為基本單元，設計一個XOR（exclusive or）。
其真值表如下：
輸入 輸出
A B Q
0 0 0
1 0 1
0 1 1
1 1 0
4. 一個由n個NOT閘接成的環振盪器 ，每個閘的delay time為tp，試證明其中任一 NOT閘輸出電壓的振盪週期 T=2ntp。
5. 請參考元件資料畫出74LS00和CD4011的接腳圖，並查出兩元件的延遲時間。
程序
本實驗中除非特別說明，第14腳均接5V電源（請先用數位電表量過）。
＜1＞NAND閘之基本操作
這是同學第一次玩數位IC，很簡單吧！接好電源就可以開始工作。不過請同學將IC插入麵 包板時格外小心，看清楚洞和腳的位置 ，有時你可能要調一下腳的位置 ，Be gentle to these tiny ICs！
實驗六之2
1.用74LS00的一個NAND閘，檢試一下是不是依 NAND閘操作，寫出它的真值表，並記錄下輸出 Q在1和0時之電壓值。
2.改用CD4011B，重複上面步驟。
＜2＞TTL和CMOS閘的輸入輸出特性曲線
1.將74LS00中的一個NAND閘的其中一個輸 入接到5V（其間要串接一1kΩ之電阻以保護 IC線 路 ） ， 形 成 一 個 “NOT” 閘 （ 或 稱 反 閘）。（你可由上面所得之真值表看出。）
2.輸 入 一 個1kHz的正弦波 （振盪的範圍在 0~5V）到“NOT”閘，用示波器的X-Y模式觀
察輸入(X)和輸出(Y)的關係，並記下曲線上轉折點的電壓值及VOH和VOL（即輸出 為邏輯1和0之電壓值）。頻率改為100kHz及1MHz，輸入輸出關係曲線有何變化？
3.用CD4011B的一個NAND閘，重複步驟1和2。比較TTL和CMOS之特性。
＜3＞NAND 當作基本閘
NAND（或NOR）可當作最基本的邏輯閘，用來組合成任何其他邏輯閘。這裡請同 學只用NAND閘，組合成AND及OR閘。
利用7400或4011接出AND閘和OR閘，並測試它們是不是果然不出所料如期工作，
假如有問題，請修正到正確為止。
＜4＞一個簡單的記憶體
假如將兩個“NOT閘”如右圖般頭尾串接起 來，此電路只有兩個可能穩定狀態，可當做記憶體
（Only for one bit！）。
1.將74LS00閉NAND閘依程序2接成NOT閘，將兩個 NOT閘頭尾串接起來如右圖中之電路，測A點和B點 的電壓。將A點接地一下（利用一條導線一端接到A 點，另一端碰一下地線），記錄這時的A、B的電壓；
再將A點接到5V一下，再記錄A、B點的電壓。
2.用CD4011B重複步驟1。
＜5＞環振盪器（Ring Oscillator）
程序4中的電路可推廣到任偶 數個NOT閘頭尾串聯起來所得的電 路均只有兩個可能的穩定狀態，當 然 若 只 是 要 當1bit 的 記 憶 體， 兩 個 NOT閘可以做到的事，沒有人會用4
NAND GATE
One bit Memory
Ring Oscillator
B A
(2) (3) A Q B
(1)
5V 1k
Q A Q
A
n(奇數)個 NOT
實驗六之3
個或10個來做。假如我們將奇數NOT閘頭尾串聯起來呢？此電路沒有穩態，振盪 起來了！我們稱此振盪器叫環振盪器（Ring Oscillator）。半導體工業界常用它來測 閘的速度或延遲時間（Propagation Delay Time tp）。延遲時間是指一個閘的輸入變 化時，它的輸出反應所需時間。此振盪器的週期T剛好是2ntp，n是NOT閘的數目。
1.利用74LS00（兩個）接出一個n=11的環振盪器，測出它的振盪週期T，計算tp。 2.開始改變電源供應器的電壓VCC（第14隻腳），觀察對T的影響，記錄T對VCC
（0~10V）的關係。VCC多小時，振盪器不再工作？
3.改用CD4011B重複步驟1和2，這時直流電源叫VDD。記錄VDD由0到15V，T的變 化。
問題與討論
1. 由TTL（74LS00）和CMOS（CD4011B）的輸出─輸入特性曲線（程序2的結 果），討論兩者有何不同。並比較兩者受雜訊影響的程度有何不同？
2. (1)畫出 74LS00及CD4011B的tp對VCC（或VDD）圖（以tp為Y軸，VCC或VDD為橫 軸），何者的tp受直流電源影響較大？
(2)在VCC=VDD=5V 時，所得的tp和所查資料是否符合？
