3CMOS传输门应用实验

数字电路-03
CMOS传输门实验应用
一．实验目的
1.掌握CMOS传输门的功能特点及应用方法。

2.了解用CMOS传输门实现逻辑运算功能的方法。

3.了解用CMOS传输门实现程控选频、程控放大的原理。

4.进一步练习信号幅度和周期的测量方法。

二．实验原理
CMOS传输门TG（Transmission Gate）是由逻辑信号控制的电子开关，当控制信号为有效逻辑电平时，开关接通，为无效电平时，开关断开。

（1）TG的电路结构
CMOS传输门由两个源、漏极结构相同的互补MOS并联，如图3-1所示。

源极、漏极互相连接构成输入或输出端，由于结构相同，所以两端可以互换。

两个MOS管的开启电压
绝对值相同（V
TN =∣V
TP
∣=V
T
），栅极由互补的逻辑信号C,C
—
控制，C控制NMOS，C
—
控制PMOS。

图3-1 CMOS传输门原理结构图3-2 CMOS传输门导通电阻特性（2）TG的控制特性：
设被控信号U
i 从两个MOS管的源极输入，U
i
的幅值范围在逻辑信号的高、低电平之
间。

①当C为低电平V SS,C—为高电平V DD时，U GN为电路的最低电位，U GP为最高电位，所
以在整个输入信号范围内，两个MOS管由于栅源反偏都截止，传输门关断，信号不能通过。

②当C为V
DD ，C—为V
SS
时，若输入Ui小于V
DD
-U
T
，NMOS栅源正偏导通。

U
i
越小，偏
置电压U
GSN 越大，漏源电阻R
DSN
越小。

同理，当U
i
大于V
SS
+U
T
时，PMOS栅源正偏导通，R
DSP
随U
i 增加（U
SGP
增加）而减小。

由于两管漏、源并接，漏源电阻并联，所以U
i
变化时传
输门的总导通电阻R
DS
基本不变，为数十欧姆左右，传输门接通，信号可以通过。

图3-2
定性地表示了R DSN ，R DSP 以及并联等效电阻R DS 与U i 的特性关系。

（3）集成四传输门4016
图3-3是集成四传输门4016的引脚排列图，其中1C ，2C ，3C ，4C 分别为四个传输门的逻辑控制端（C —
信号在内部连接，没有引出）。

4016的控制信号为高电平有效。

当C 为逻辑高电平时，相应传输门的X ，Y 端接通，端口电阻与输入电压无关，基本认为u x =u y 。

当C 为逻辑低电平时，相应传输门的X ，Y 端相当于断开，端口电阻约为兆欧级。

实际应用时，被控模拟信号的幅度不能超过芯片所加的工作电源。

控制信号的高电平等于器件的电源电压V DD ，低电平为V SS 。

电源电压根据被控模拟电压的范围取值。

比如，输入模拟信号为0～5V ，则V DD =5V ，V SS =0V ；而如果需要控制的是幅值在-10～10V 范围内的模拟信号，则V DD =10V ，V SS =-10V 。

（4）传输门的应用
① 实现CMOS 逻辑门
图3-3 双列直插四CMOS 传输门4016引脚排列 3-4 TG 构成的逻辑门
传输门可以用来实现逻辑运算功能，图2-3-4（a ）中的TG1、TG2实现了与非门的逻辑功能。

当输入A 和B 同时为高电平“1”时，传输门TG1和TG2都导通，电阻R 通过导通的传输门接地，输出Y 为低电平“0”；当A （或B ）为低电平“0”时，TG1（或TG2）截止，输出Y 为VDD （“1”）。

可见，Y=A B ———。

若将与非门的输出Y 再接一个由使能信号E 控制的传输门TG3，则构成三态与非门。

当E 为低电平时，TG3关断，输出L 为高阻状态。

所以使能E 高电平有效。

图3-5 程控选频电路原理图
②切换模拟信号
传输门主要用于控制模拟信号，所以通常又称模拟开关。

程控电话控制电路可以采用模拟开关切换模拟音频信号，组合DTMF 双音多频编码实现自动拨号功能。

图3-5为RLC 串联电路，电路的谐振频率由电容、电阻的参数决定。

电路谐振时，电阻电压U o （电路电流I o ）与输入电压U i 同相，并且达到最大值。

同时，电容、电感电压达到输入电压的Q 倍。

收音机电路就利用这个特点接收某一频率的电台信号。

当电容改变时，电路的谐振频率不同，选择的电台也就不同。

采用传输门可以通过逻辑信号控制切换电容实现程控选频。

图3-6为运算放大器构成的反相放大电路，放大倍数AV 由电路的反馈电阻R f 和输入电阻R i 决定：A V =－R f /R i 。

当R f 改变时，放大倍数相应改变。

采用传输门可以通过逻辑信号控制切换反馈电阻实现程控放大，常用在智能仪器中使数值不同的被测信号达到比较一致的幅度范围。

图3-7电路的功能是把输入的四位二进制码D3～D0转换成幅值与码值成正比的输出
电压U o ，称数模转换电路。

其中运算放大器构成一个反相加法器，加法器的四个输入由传输门TG i 控制。

当输入D i 为“1”时，控制相应的传输门接通，使该输入端接+5V ；当D i =“0”，相应的传输门断开，没有输入电压。

注意到加法器各输入电阻的阻值基本呈二进制位权形式，当输入为不同的二进制码时，输出电压：
显然，输出模拟电压U o 的绝对值基本与输入二进制码的码值N D 成正比。

图3-6 程控放大器原理图 图3-7 4位二进制数模转换电路原理图
三． 实验参考电路
1. 用传输门实现如图3-4所示逻辑电路。

2. 程控选频电路如图3-5所示。

3. 程控放大器如图3-6所示。

4. 数模转换电路如图3-7所示。

四． 实验预习要求
1. 复习有关RLC 交流电路串联谐振的概念。

)
V (8
1281)2222(4015)1
.5102039(5)0123(
5D 30i 00
11223301230223f O N D D D D D D D
D D R D R D R D R D R U i i -=-=+++⨯-≈+++-=+++⨯-=∑
=
2. 复习示波器、函数发生器、交流毫伏表的使用方法，考虑如何测量两个同频率信号 的相位差、如何测量正弦交流信号的峰-峰值和有效值。

3. 根据图3-4的工作原理设计一个三态逻辑门，使能E 高电平有效。

当E 有效时，输 出L=（A+B ）C ——————————。

4. 思考RLC 电路串联谐振频率测定的实验方法。

计算图3-5电路在控制信号A ，B 为不 同状态时的谐振频率理论值。

5. 分析图3-6电路在控制信号A ，B 为不同状态时的放大倍数的理论值。

6. 分析图3-7电路的最大输出电压U Omax （输入二进制码为“1111”时的输出）和分辨 电压V LSB （输入二进制码为“0001”时的输出）。

五． 实验内容及步骤 1. 用传输门实现逻辑功能
按预习要求（3）设计的电路连线，输入A ，B ，C 和使能E 接逻辑开关，输出L 接逻 辑指示灯。

测试电路的逻辑功能。

4016的VSS 端接参考地，VDD 接5V 。

2. 程控选频电路
1） 图3-5电路及图3-3芯片引脚图接线，4016的工作电源为±5V （VDD 接5V ，VSS 接-5V ）。

2）按表3-1将控制信号A ，B 接V ss 或V DD ，改变逻辑电平V A ，V B ，用示波器测 量输入电压U i 和电阻电压U o 的相位差。

3）在控制条件一定时，改变输入U i 的信号频率直到电路谐振（U i 和U o 同相），用示 波器测量U o 信号的峰-峰值U op-p 和周期T ，用交流毫伏表测量传输门的压降有效值U TG ，记录电路的谐振频率。

3. 程控放大器
1）按图2-3-6连接电路，4016的工作电源为±5V 。

2）输入有效值为0.2V 、频率为1kHz 的正弦信号Ui 。

传输门控制端A ，B 按表3-2 接不同的逻辑电平，用交流毫伏表测试并记录输出信号的有效值Uo ，计算电路的电压放大倍数Av 。

4. 数模转换电路
按图3-7连接电路，4016的V DD 接+5V ，V SS 接参考地。

传输门的控制信号D3～D0接 输入器，改变开关状态，记录输入不同二进制码时的输出电压值。

表3-2程控放大器测试表
六．实验设备和器材
名称数量型号
1.双踪示波器1台学校自备
2.函数信号发生器1台学校自备
3.直流电源1台5V
4.适配器1只SD128B
5.14芯IC插座2只SD143
6.4位输入器1只SD101
7.4位输出器1只SD102B
8.电阻模块2只SD150 SD150B
9.多圈电位器模块1只SD153
10.电容模块1只SD151
11.二极管模块1只SD155
12.集成芯片若干4016 LM741
13.连接导线若干P2
14.实验用6孔插件方板297mm×300mm
七．实验思考题
1.图2-3-4电路中的4.7kΩ电阻起什么作用？
2.程控选频电路中，传输门的导通电阻对谐振频率有无影响？对品质因素有无影响？
3.程控放大器中，传输门的导通电阻对各级放大倍数的精度有无影响？如果放大倍数与理论值有误差，可以如何解决。

4.图3-7电路中4016控制信号的低电平是–5V还是0V？
5.图3-7数模转换电路的输出电压能否是1.2V ？为什么？
6.如果图3-7电路中传输门由4位二进制加计数器的输出控制，计数频率为1.6kHz，输出电压是什么波形，周期是多少？
八．实验报告要求
1.处理实验数据，完成各测试图、测试表。

2.根据实验内容（2）计算传输门的导通平均电阻R
DS
3.计算数模转换电路在不同数码输入时的输出电压理论值，与实验测试值比较。

4.分析实验内容（2）,（3）,（4）的误差原因。

5.回答思考题。