目標(biāo)

　　本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的目標(biāo)是進(jìn)一步強(qiáng)化上一個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)“使用CD4007陣列構(gòu)建CMOS邏輯功能”中探討的CMOS邏輯基本原理，并獲取更多使用復(fù)雜CMOS門(mén)級(jí)電路的經(jīng)驗(yàn)。具體而言，您將了解如何使用CMOS傳輸門(mén)和CMOS反相器來(lái)構(gòu)建傳輸門(mén)異或（XOR）和異或非邏輯功能。

　　背景知識(shí)

　　為了在本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中構(gòu)建邏輯功能,，需要使用ADALP2000模擬部件套件中的CD4007 CMOS陣列和分立式NMOS和PMOS晶體管（ZVN2110A NMOS和ZVP2110A PMOS）。CD4007由3對(duì)互補(bǔ)MOSFET組成,，如圖1所示,。每對(duì)共用一個(gè)柵極（引腳6、3和10）,。所有PMOSFET（正電源引腳14）以及NMOSFET（地引腳7）的襯底都共用,。左邊一對(duì)，NMOS源極引腳連接到NMOS襯底（引腳7）,，PMOS源極引腳連接到PMOS襯底（引腳14）,。另外兩對(duì)均為通用型,。右邊一對(duì)，NMOS的漏極引腳連接到PMOS的漏極引腳,，即引腳12,。

　　圖1.CD4007功能框圖。

　　CD4007是一款多功能IC,。例如,，單個(gè)CD4007可用于構(gòu)建三個(gè)反相器、一個(gè)反相器加上兩個(gè)傳輸門(mén)或其他復(fù)雜的邏輯功能,，如NAND和NOR門(mén),。反相器和傳輸門(mén)尤其適合構(gòu)建傳輸門(mén)XOR和XNOR邏輯功能。XOR和XNOR邏輯門(mén)的示意圖符號(hào)如圖2所示,。

　　圖2.XOR和XNOR示意圖符號(hào),。

　　靜電放電

　　CD4007與許多CMOS集成電路一樣，很容易被靜電放電損壞,。CD4007包括二極管，可防止其受靜電放電的影響,，但如果操作不當(dāng)仍可能會(huì)損壞,。使用對(duì)靜電敏感的電子產(chǎn)品時(shí)，通常會(huì)使用防靜電墊和腕帶,。然而,，在家里（正規(guī)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境之外）工作時(shí)，可能沒(méi)有這些物品,。避免靜電放電的一種低成本方法是在接觸IC之前先使自己接地,。在操作CD4007之前，使積聚的靜電放電將有助于確保在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)損壞芯片,。

　　材料

• ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

• 無(wú)焊試驗(yàn)板

• 1個(gè)CD4007（CMOS陣列）

• 2個(gè)ZVN2110A NMOS晶體管

• 2個(gè)ZVP2110A PMOS晶體管

　　說(shuō)明

　　現(xiàn)在我們將使用單刀雙擲（SPDT）傳輸門(mén)開(kāi)關(guān)和兩個(gè)CMOS反相器來(lái)構(gòu)建XOR門(mén)（和XNOR）,，如圖3所示。兩個(gè)傳輸門(mén)協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)選擇器操作,。根據(jù)A輸入的狀態(tài),，輸入B或輸入B的反相會(huì)通過(guò)節(jié)點(diǎn)C （XOR）輸出。另外兩個(gè)反相器M9和M10使C反相以產(chǎn)生C_BAR （XNOR）輸出,。

　　在無(wú)焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖3所示的XOR/XNOR電路,。器件M1至M6采用CD4007 CMOS陣列，兩個(gè)反相器級(jí)（反相器級(jí)M7和M8,，以及M9和M10）分別使用ZVN2110A NMOS和ZVP2110A PMOS,。電路使用ADALM2000的固定5 V電源供電。

　　電路中有兩個(gè)邏輯輸入A和B,。同相XOR輸出位于節(jié)點(diǎn)C,，而該輸出的反相位于節(jié)點(diǎn)C_BAR以形成XNOR函數(shù),。

　　圖3.XOR和XNOR門(mén)。

　　硬件設(shè)置

　　在實(shí)驗(yàn)最初,，將兩個(gè)AWG輸出配置直流源,。根據(jù)需要，示波器通道將用于監(jiān)控電路的輸入和輸出,。固定+5 V電源用于為電路供電,。在此實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)禁用固定–5 V電源,。

　　圖4.XOR和XNOR門(mén)試驗(yàn)板電路,。

　　程序步驟

　　將AWG1連接引腳6，作為A輸入端,。將AWG2連接引腳1和9,，作為B輸入端。示波器通道1連接引腳2,、5和12,，作為C輸出端。示波器通道2連接M9和M10的漏極引腳,，作為C_BAR輸出端,。確保打開(kāi)固定5 V電源。

　　首先,，打開(kāi)AWG控制界面并將AWG1設(shè)置為0 V直流電壓,，對(duì)A施加邏輯低電平。將AWG2設(shè)置為0 V直流電壓,，對(duì)B輸入段施加邏輯低電平,。

　　圖5.C_OUT和C_BAR輸出。

　　觀察示波器通道1上柵極的輸出C,。示波器界面上應(yīng)顯示穩(wěn)定的直流電壓,。

　　現(xiàn)在將兩個(gè)AWG通道均配置為具有5 V幅度峰峰值和2.5 V偏移（0 V至5 V擺幅）的方波。將AWG1設(shè)置為1 kHz頻率,，將AWG2設(shè)置為2 kHz頻率或AWG1頻率的兩倍,。確保將AWG設(shè)置為同步運(yùn)行。

　　觀察示波器界面上A和B輸入信號(hào)相應(yīng)的C輸出和C_BAR輸出,。

　　接著,，將AWG2設(shè)置為與AWG1相同的1 kHz頻率，但將AWG2的相位設(shè)置為90°,。觀察示波器界面上A和B輸入信號(hào)相應(yīng)的C輸出和CBAR輸出,。

　　XOR門(mén)用作鑒相器

　　鑒相器或相位比較器是一種邏輯電路，用于產(chǎn)生代表兩個(gè)邏輯信號(hào)輸入之間相位差的模擬輸出電壓信號(hào)。它是鎖相環(huán)（PLL）的中心元件,。檢測(cè)信號(hào)之間的相位關(guān)系是許多系統(tǒng)中的重要功能模塊,，如電機(jī)控制、雷達(dá),、電信,、解調(diào)器和伺服機(jī)構(gòu)。

　　方波信號(hào)的鑒相器可由XOR邏輯門(mén)組成,。當(dāng)比較的兩個(gè)信號(hào)完全同相時(shí),，即相位差為0°，XOR門(mén)將輸出恒定的零電平,。例如,，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的相位相差10°時(shí)，在10/180或1/18周期（兩個(gè)信號(hào)值不同的極小部分周期）中,，XOR門(mén)將輸出高電平,。當(dāng)信號(hào)相位相差180°時(shí)，即一個(gè)信號(hào)為高電平而另一個(gè)為低電平,，反之亦然,，此時(shí)XOR門(mén)的輸出在每個(gè)周期內(nèi)都會(huì)保持高電平。

　　當(dāng)XOR門(mén)鑒相器用于PLL系統(tǒng)時(shí),，它通常鎖定在相位檢測(cè)范圍中間的90°相位差附近,。在90°時(shí)，XOR具有50%占空比的方波輸出,，輸出頻率是輸入頻率的兩倍。方波占空比根據(jù)兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差發(fā)生變化,。XOR門(mén)的輸出通過(guò)低通濾波器產(chǎn)生的模擬電壓與兩個(gè)信號(hào)之間的相位差成正比,。它需要對(duì)稱的方波輸入。如果一個(gè)輸入的占空比與另一個(gè)輸入的占空比略有不同,，則低通濾波輸出將會(huì)偏移90°相位差時(shí)的理想中間范圍,。

　　說(shuō)明

　　將圖6所示的RC低通濾波器添加到XOR試驗(yàn)板電路中。將示波器通道1連接到RC濾波器輸出,。

　　圖6.XOR門(mén)鑒相器,。

　　硬件設(shè)置

　　將兩個(gè)AWG通道均配置為具有5 V幅度峰峰值和2.5 V偏移（0 V至5 V擺幅）的方波。將AWG1和AWG2的頻率都設(shè)置為1 kHz,。同時(shí)確保從AWG1和AWG2的相位都設(shè)置為0°開(kāi)始,。確保將AWG設(shè)置為同步運(yùn)行。

　　圖7.XOR門(mén)鑒相器試驗(yàn)板電路,。

　　程序步驟

　　將示波器通道1連接到C1的RC濾波器輸出,，觀察鑒相器的濾波（DC）輸出。將示波器通道2連接到XOR門(mén)的輸出C，觀察邏輯門(mén)輸出的脈沖寬度,。

　　圖8為Scopy波形圖示例,。

　　圖8.XOR門(mén)鑒相器采樣輸出。

　　替代元件選擇

　　使用四個(gè)獨(dú)立NMOS和PMOS晶體管（ZVN2110A和ZVP2110A）構(gòu)建的反相器對(duì)也可以由第二個(gè)CD4007 IC構(gòu)成,，或者可以是采用六路反相器IC的CMOS反相器,，如74HC04或CD4049。CD4066四通道SPST開(kāi)關(guān)也可以作為采用CD4007構(gòu)建的開(kāi)關(guān)的替代器件,。

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