ADALM2000實驗：CMOS邏輯電路、D型鎖存器
2023-06-09 11:12:24 EETOP本實驗活動的目標是進一步強化上一個實驗活動“ADALM2000實驗：使用CD4007陣列構建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D型觸發器或鎖存器。
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。每對共用一個共柵（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。左邊的互補MOSFET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。右邊的互補MOSFET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，我們在上一個實驗活動中已有所了解。例如，單個CD4007可用于構建一個反相器鏈（包括三個反相器）、一個反相器加上兩個傳輸門或其他復雜的邏輯功能，如NAND和NOR門。反相器和傳輸門尤其適合構建D型鎖存器或主/節點觸發器。
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，但如果操作不當仍可能會損壞。使用對靜電敏感的電子產品時，通常會使用防靜電墊和腕帶。然而，在家里（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于確保在實驗過程中不會損壞芯片。
? 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
現在我們將結合使用之前練習中的反相器鏈構建的雙傳輸門來構建D型鎖存器，如圖2所示。兩個傳輸門協同工作以實現D型鎖存器。在鎖存器的透明模式下，當CLK=0時，第一個傳輸門（左）打開，同時第二個傳輸門（右）關閉。D通過第一個傳輸門和兩個串聯的反相器傳輸至輸出端(Q)。在鎖存器的保持模式下，當CLK=1時，第一個傳輸門關閉，但第二個傳輸門打開。因此，輸入端D中的任何變化都不會反映在輸出端Q上。不過，現已開啟的第二個傳輸門可確保通過在兩個串聯的反相器周圍形成的閉合正反饋回路來保留Q上先前的邏輯電平。在無焊試驗板上構建圖2所示的D型鎖存器電路。器件M1至M6采用CD4007 CMOS陣列，兩個反相器級中的每一級（反相器級M7和M8，以及M9和M10）使用一個ZVN2110A NMOS和一個ZVP2110A PMOS。電路使用ADALM2000的固定5 V電源供電。
圖2.D型鎖存器。
在實驗最初，將兩個AWG輸出配置直流源。根據需要，示波器通道將用于監控電路的輸入和輸出。固定5 V電源用于為電路供電。在此實驗中，應禁用固定–5 V電源。
圖3.D型鎖存器試驗板連接。
連接引腳1和9，鎖存器的D輸入端連接到AWG1的輸出端。連接引腳4和11，鎖存器的Q輸出端連接到示波器通道2。連接引腳6，作為連接到AWG2的CLK。確保打開固定5 V電源。
首先，打開AWG控制界面并將AWG2設置為0 V直流電壓，對CLK施加邏輯低電平。將AWG1設置為5 V直流電壓，對D輸入端施加邏輯高電平。
觀察示波器通道2上鎖存器的輸出端Q。示波器界面上應顯示穩定的5 V電壓。捕獲屏幕截圖。
圖4.Scopy屏幕截圖。
將AWG1設置為0 V直流電壓，對D輸入端施加邏輯低電平。觀察示波器上的輸出。這是鎖存器的透明模式。此時應能看到示波器通道2也是0 V直流電壓。現在將AWG2設置為5 V直流電壓，對CLK施加邏輯高電平。同時將AWG1設置為5 V直流電壓，對D輸入端施加邏輯高電平。
觀察示波器界面上的Q輸出。由于D輸入端之前為低電平，因此盡管將D更改為邏輯高電平，仍會顯示穩定的低電平。捕獲屏幕截圖。這是電路的保持模式。
圖5.Scopy屏幕截圖。
現在將兩個AWG通道均配置為峰峰值為5V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。將AWG2的相位設置為0度。確保將AWG設置為同步運行。
觀察示波器界面上在上述CLK和D輸入下相應的Q輸出。捕獲各種波形并保存截圖，用于包含在實驗報告中。
圖6.Scopy屏幕截圖。
現在將AWG2的相位設置為90度。再次觀察示波器界面上在此時CLK和D輸入下相應的Q輸出。與AWG2相位為0度時相比有何變化？說明原因。捕獲各種波形并保存截圖，用于包含在實驗報告中。
圖7.Scopy屏幕截圖。
單個D型鎖存器將使輸入信號延遲1/2時鐘周期。說明時鐘相位相反的兩個串聯D型鎖存器如何構成主節點D型觸發器，可以使輸入信號延遲一個完整的時鐘周期。
如果還有CD4007陣列可用，可構建主節點D型觸發器作為額外的練習。
圖2所示的D型鎖存器使用具有NMOS和PMOS晶體管的互補傳輸門。單個NMOS或PMOS無法傳遞具有相同強度（即導通電阻）的高低邏輯電平。單個NMOS器件可以傳遞強邏輯電平0，但會傳遞弱邏輯電平1。相反，單個PMOS器件可以傳遞強邏輯電平1，但會傳遞弱邏輯電平0。
在許多集成電路設計案例中，內部信號僅在內部電路模塊之間傳遞，此時單個NMOS或PMOS晶體管傳遞的非對稱驅動不是主要問題。在這種情況下，鎖存器中固有的正反饋可能會有所幫助。可以采用簡化的D型鎖存器，即只使用6個器件而不是圖2中使用的10個器件，如圖8（鎖存器在上升沿）和9（鎖存器在下降沿）所示。
圖8.6晶體管上升沿D型鎖存器。
圖9.6晶體管下降沿D型鎖存器。
圖10.6晶體管上升沿D型鎖存器試驗板連接。
圖11.6晶體管下降沿D型鎖存器試驗板連接。
對試驗板進行任何更改之前，確保關閉固定5 V電源。在無焊試驗板上，將圖2中的電路重新配置為圖3中的電路。確保打開固定5 V電源。重復相同的步驟，將AWG1連接到D輸入端，將AWG2連接到CLK輸入端。驗證鎖存器的工作情況，它將在輸入時鐘的適當邊沿鎖存邏輯0和邏輯1輸入。
最后，將無焊試驗板上的電路重新配置為圖4中的電路。確保打開固定5 V電源。重復相同的步驟，將AWG1連接到D輸入端，將AWG2連接到CLK輸入端。驗證鎖存器的工作情況，它將在輸入時鐘的適當邊沿鎖存邏輯0和邏輯1輸入。
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，也可以使用例如 74HC04 或 CD4049 等六反相器 IC 的 CMOS 反相器。
