【導讀】本實驗活動的目標是進一步強化上一個實驗活動 “使用CD4007陣列構建CMOS邏輯功能” 中探討的CMOS邏輯基本原理，並獲取更多使用複雜CMOS門級電路的經驗。具體而言


，您將了解如何使用CMOS傳輸門和CMOS反相器來構建傳輸門異或(XOR)和異或非邏輯功能。

背景知識

為了在本實驗活動中構建邏輯功能，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對互補MOSFET組成，如圖1所示。每對共用一個柵極（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，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）。另外兩對均為通用型。右邊一對
，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CD4007可用於構建三個反相器、一個反相器加上兩個傳輸門或其他複雜的邏輯功能，如NAND和NOR門。反相器和傳輸門尤其適合構建傳輸門XOR和XNOR邏輯功能。XOR和XNOR邏輯門的示意圖符號如圖2所示。

圖2.XOR和XNOR示意圖符號。

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。CD4007baokuoerjiguan
，kefangzhiqishoujingdianfangdiandeyingxiang，danruguocaozuobudangrengkenenghuisunhuai。shiyongduijingdianmingandedianzichanpinshi
，tongchanghuishiyongfangjingdiandianhewandai。raner

，zaijiali（正規的實驗環境之外）工作時
，可能沒有這些物品。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於確保在實驗過程中不會損壞芯片。

材料

●   ADALM2000 主動學習模塊

●   無焊試驗板

●   1個CD4007（CMOS陣列）

●   2個ZVN2110A NMOS晶體管

●   2個ZVP2110A PMOS晶體管

說明

現在我們將使用單刀雙擲(SPDT)傳輸門開關和兩個CMOS反相器來構建XOR門（和XNOR），如圖3所示。兩個傳輸門協同工作以實現選擇器操作。根據A輸入的狀態，輸入B或輸入B的反相會通過節點C (XOR)輸出。另外兩個反相器M9和M10使C反相以產生CBAR (XNOR)輸出。

在無焊試驗板上構建圖3所示的XOR/XNOR電路。器件M1至M6采用CD4007 CMOS陣列，兩個反相器級（反相器級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。

電路中有兩個邏輯輸入A和B。同相XOR輸出位於節點C，而該輸出的反相位於節點CBAR以形成XNOR函數。

圖3.XOR和XNOR門。

硬件設置

在實驗最初，將兩個AWG輸出配置直流源。根據需要，示波器通道將用於監控電路的輸入和輸出。固定+5 V電源用於為電路供電。在此實驗中，應禁用固定–5 V電源。

圖4.XOR和XNOR門試驗板電路。

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CBAR輸出端。確保打開固定5 V電源。

首先，打開AWG控製界麵並將AWG1設置為0 V直流電壓，對A施加邏輯低電平。將AWG2設置為0 V直流電壓，對B輸入段施加邏輯低電平。

圖5.COUT和CBAR輸出。

觀察示波器通道1上柵極的輸出C。示波器界麵上應顯示穩定的直流電壓。

現在將兩個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設置為1 kHz頻率
，將AWG2設置為2 kHz頻率或AWG1頻率的兩倍。確保將AWG設置為同步運行。

觀察示波器界麵上A和B輸入信號相應的C輸出和CBAR輸出。

接著，將AWG2設置為與AWG1相同的1 kHz頻率，但將AWG2的相位設置為90°。觀察示波器界麵上A和B輸入信號相應的C輸出和CBAR輸出。

XOR門用作鑒相器

鑒相器或相位比較器是一種邏輯電路
，用於產生代表兩個邏輯信號輸入之間相位差的模擬輸出電壓信號。它是鎖相環(PLL)的中心元件。檢測信號之間的相位關係是許多係統中的重要功能模塊
，如電機控製

、雷達、電信、解調器和伺服機構。

方波信號的鑒相器可由XOR邏輯門組成。當比較的兩個信號完全同相時
，即相位差為0°，XOR門將輸出恒定的零電平。例如，當兩個信號的相位相差10°時，在10/180或1/18周期（兩個信號值不同的極小部分周期）中
，XOR門將輸出高電平。當信號相位相差180°時，即一個信號為高電平而另一個為低電平，反之亦然
，此時XOR門的輸出在每個周期內都會保持高電平。

當XOR門鑒相器用於PLL係統時，它通常鎖定在相位檢測範圍中間的90°相位差附近。在90°時，XOR具有50%占空比的方波輸出
，輸出頻率是輸入頻率的兩倍。方波占空比根據兩個輸入信號的相位差發生變化。XOR門(men)的(de)輸(shu)出(chu)通(tong)過(guo)低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)產(chan)生(sheng)的(de)模(mo)擬(ni)電(dian)壓(ya)與(yu)兩(liang)個(ge)信(xin)號(hao)之(zhi)間(jian)的(de)相(xiang)位(wei)差(cha)成(cheng)正(zheng)比(bi)。它(ta)需(xu)要(yao)對(dui)稱(cheng)的(de)方(fang)波(bo)輸(shu)入(ru)。如(ru)果(guo)一(yi)個(ge)輸(shu)入(ru)的(de)占(zhan)空(kong)比(bi)與(yu)另(ling)一(yi)個(ge)輸(shu)入(ru)的(de)占(zhan)空(kong)比(bi)略(lve)有(you)不(bu)同(tong)，則(ze)低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)輸(shu)出(chu)將(jiang)會(hui)偏(pian)移(yi)90°相位差時的理想中間範圍。

說明

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

圖6.XOR門鑒相器。

硬件設置

將兩個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的頻率都設置為1 kHz。同時確保從AWG1和AWG2的相位都設置為0°開始。確保將AWG設置為同步運行。

圖7.XOR門鑒相器試驗板電路。

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門的輸出C，觀察邏輯門輸出的脈衝寬度。

圖8為Scopy波形圖示例。

圖8.XOR門鑒相器采樣輸出。

替代元件選擇

使用四個獨立NMOS和PMOS晶體管（ZVN2110A和ZVP2110A）構建的反相器對也可以由第二個CD4007 IC構成
，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開關也可以作為采用CD4007構建的開關的替代器件。

問題

對於圖3中的電路
，將AWG1和AWG2設置為邏輯高電平(5 V)和低電平(0 V)值
，並填入以下表格。

表1.每組輸入（A和B）的輸出值

您可以在 學子專區論壇上找到答案。

來源：ADI

作者：Antoniu Miclaus 和 Doug Mercer

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