Tài liệu Thí nghiệm Mạch điện tử - Lab6: Mosfet logic gate circuits

Electronic circuit Lab FEEE-University of Technology 
Page 1 
Lab6- MOSFET LOGIC GATE CIRCUITS 
--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
Mục ñích 
[1] Nắm vững và xây dựng ñược cổng ñảo NMOS và CMOS. 
[2] ðo và vẽ ñặc tuyến truyền ñạt áp (VTC) của cổng ñảo. 
[3] ðo ñạc và tính toán thời gian trễ (propagation delay). 
[4] ðo ñạc và tính toán công suất tiêu thụ của các loại cổng ñảo. 
[5] Khảo sát cấu trúc và ño ñạc bảng sự thật của cổng logic NAND và NOR 
1. Chuẩn bị thí nghiệm 
- ðọc lại lý thuyết về mạch cổng logic: Microelectronic Circuits, fifth Edition, 
Sedra/Smith, pages 336-345 & pages 950-982. 
- Cho cổng ñảo NMOS trên H1.1a, giả sử MOSFET có K=0.5mA/V2, Vt=1.5V, hãy tính 
toán và vẽ ñặc tuyến truyền ñạt áp (VTC) của mạch bằng cách tính Vout khi Vin lần lượt 
bằng 0, 1, 2, 3, 4 và 5V. 
- Mạch H1.1a ñược nối thêm tụ C ở ngỏ ra như H1.1b, giả sử C ñủ lớn ñể bỏ qua các tụ 
ký sinh trong MOSFET, hãy xác ñịnh biểu thức và giá trị của thời gian trễ cạnh lên 
(tPLH) và xuống (tPHL) của ngỏ ra khi ngỏ vào là xung vuông ñơn cực có biên ñộ bằng 
5V. 
- Hãy tính toán công suất nguồn cung cấp cho cổng ñảo H1.1a khi ngỏ vào ở mức cao 
(5V) và mức thấp (0V). 
- Cho cổng ñảo CMOS trên H1.2a, giả sử MOSFET có Kn=Kp=0.5mA/V2, 
Vtn=Vtp=1.5V, hãy tính toán và vẽ ñặc tuyến truyền ñạt áp (VTC) của mạch. 
Electronic circuit Lab FEEE-University of Technology 
Page 2 
- Mạch H1.2a ñược nối thêm tụ C ở ngỏ ra như H1.2b, giả sử C ñủ lớn ñể bỏ qua các tụ 
ký sinh trong MOSFET, hãy xác ñịnh biểu thức và giá trị của thời gian trễ cạnh lên 
(tPLH) và xuống (tPHL) của ngỏ ra khi ngỏ vào là xung vuông ñơn cực có biên ñộ bằng 
5V. 
- Hãy tính toán công suất nguồn cung cấp cho cổng ñảo H1.2a khi ngỏ vào ở mức cao 
(5V) và mức thấp (0V). 
- Cho 2 cổng logic 2 ngỏ vào như H1.3a và H1.3b, hãy trình bày hoạt ñộng của chúng và 
cho biết ñó là loại cổng gì? 
- ðọc phần 3, thực hiện thí nghiệm, sau ñó tóm tắt các công việc chính phải làm trong 
buổi thí nghiệm. 
- Xem lại cách sử dụng dao ñộng ký và máy ño vạn năng ñể ño các ñại lượng liên quan 
trong buổi thí nghiệm. 
- Download và ñọc datasheet của HEF4007 
2. Dụng cụ thí nghiệm 
- Bộ thí nghiệm chính ELECTRONIC LAB ANA-MAIN 
- Module: MOSFET logic gate circuits 
- Dao ñộng ký: GRS-6052A 
- Máy ño: Fluke 45 
- Bộ dây nối 
3. Thực hiện thí nghiệm 
MOSFET là linh kiện rất dễ bị hỏng do tĩnh ñiện. Do ñó trong quá trình thao tác thí 
nghiệm phải hết sức thận trọng tuân thủ ñúng một số nguyên tắc sau: 
- Không chạm tay vào cực G của MOSFET vì rất dễ gây nguy hiểm cho MOSFET do 
tĩnh ñiện của tay. 
- Tắt toàn bộ các nguồn cung cấp và tín hiệu, máy ño chức năng ño ñiện trở, test diode 
trước khi thực hiện thao tác nối hoặc thay ñổi mạch. 
- Khi nối mạch, thực hiện các phần của mạch không liên quan tới MOSFET trước, nối 
MOSFET vào sau cùng. 
Electronic circuit Lab FEEE-University of Technology 
Page 3 
- Nếu có bất cứ nghi ngờ nào liên quan tới sự hư hỏng của MOSFET, phải ngay lập tức 
báo cho cán bộ quản lý PTN biết ñể kiểm tra và thay thế nếu MOSFET bị hỏng. Chú ý: 
số lượng MOSFET cho mỗi buổi thí nghiệm là có hạn, do vậy cán bộ quản lý PTN có 
quyền từ chối thay thế cho nhóm TN làm hư hỏng quá nhiều MOSFET. 
3.1. Khảo sát cổng ñảo NMOS 
3.1.1. ðo ñặc tuyến truyền ñạt áp (VTC) 
a. Thực hiện mạch trên H3.1a dùng Block a trên Module – MOSFET logic gate circuits 
như H3.1b. 
b. Máy phát sóng chỉnh sóng tam giác tần số 500Hz, biên ñộ 3V, bộ nguồn DC chỉnh 3V 
ñể làm tín hiệu Vin cấp cho mạch. 
c. Dao ñộng ký dùng CH1 ño ngỏ vào và CH2 ño ngỏ ra, Vert mode chọn X-Y, hai kênh 
chọn Mode DC. 
d. ðo và vẽ lại VTC của mạch, ghi thông tin vào Bảng 3.1a. 
Electronic circuit Lab FEEE-University of Technology 
Page 4 
3.1.2. ðo thời gian trễ tPHL & tPLH 
a. Thực hiện mạch trên H3.1c dùng Block a trên Module – MOSFET logic gate circuits 
như H3.1d. 
Electronic circuit Lab FEEE-University of Technology 
Page 5 
b. ðo và vẽ lại (Bảng 3.1b) dạng sóng ngỏ ra khi ngỏ vào là sóng vuông biên ñộ 5V, tần 
số lần lượt là 1KHz và 50KHz. 
c. Khi ngỏ vào là sóng vuông biên ñộ 5V tần số 50kHz, hãy vẽ lại dạng tín hiệu vào và ra 
vào Bảng 3.1b, từ ñó xác ñịnh tPHL và tPLH. 
3.1.3. ðo công suất nguồn cung cấp 
a. Thực hiện ño dòng trung bình nguồn cung cấp (Iavg) cho cổng ñảo trên H3.1c khi 
Vin=+5V, từ ñó tính công suất trung bình (Pavg) nguồn cung cấp cho cổng. 
Electronic circuit Lab FEEE-University of Technology 
Page 6 
b. Thực hiện ño dòng trung bình nguồn cung cấp (Iavg) cho cổng ñảo trên H3.1c khi 
Vin=0V, từ ñó tính công suất trung bình (Pavg) nguồn cung cấp cho cổng. 
c. Với mạch trên H3.1c, nối Vin với máy phát sóng vuông biên ñộ 5V, tần số ñể ở 
RANGE 100K. Hãy ño dòng trung bình nguồn cung cấp (Iavg) cho cổng ñảo khi núm 
chỉnh FREQUENCY ñể ở cựa tiểu và cực ñại. Từ ñó tính công suất trung bình (Pavg) 
nguồn cung cấp cho cổng tương ứng với mỗi trường hợp. 
d. Ghi các số liệu ño ñạc và tính toán vào Bảng 3.1c. 
Bảng 3.1c – Kết quả ño công suất nguồn cung cấp cho cổng ñảo NMOS 
ðại 
lượng Vin=5 Vin=0 Vin square wave, RANGE 
100k, FREQUENCY Min 
Vin square wave, RANGE 
100k, FREQUENCY Max 
Iavg[µA] 
Pavg[µW] 
3.2. Khảo sát cổng ñảo CMOS 
3.2.1. ðo ñặc tuyến truyền ñạt áp (VTC) 
a. Thực hiện mạch trên H3.2a dùng Block a trên Module – MOSFET logic gate circuits 
như H3.2b. 
Electronic circuit Lab FEEE-University of Technology 
Page 7 
b. Máy phát sóng chỉnh sóng tam giác tần số 500Hz, biên ñộ 3V, bộ nguồn DC chỉnh 3V 
ñể làm tín hiệu Vin cấp cho mạch. 
c. Dao ñộng ký dùng CH1 ño ngỏ vào và CH2 ño ngỏ ra, Vert mode chọn X-Y, hai kênh 
chọn Mode DC. 
d. ðo và vẽ lại VTC của mạch, ghi thông tin vào Bảng 3.2a. 
3.2.2. ðo thời gian trễ tPHL & tPLH 
a. Thực hiện mạch trên H3.2c dùng Block a trên Module – MOSFET logic gate circuits 
như H3.2d. 
Electronic circuit Lab FEEE-University of Technology 
Page 8 
b. ðo và vẽ lại (Bảng 3.2b) dạng sóng ngỏ ra khi ngỏ vào là sóng vuông biên ñộ 5V, tần 
số lần lượt là 1KHz và 50KHz. 
c. Khi ngỏ vào là sóng vuông biên ñộ 5V tần số 50kHz, hãy vẽ lại dạng tín hiệu vào và ra 
vào Bảng 3.2b, từ ñó xác ñịnh tPHL và tPLH. 
3.2.3. ðo công suất nguồn cung cấp 
a. Thực hiện ño dòng trung bình nguồn cung cấp (Iavg) cho cổng ñảo trên H3.2c khi 
Vin=+5V, từ ñó tính công suất trung bình (Pavg) nguồn cung cấp cho cổng. 
Electronic circuit Lab FEEE-University of Technology 
Page 9 
b. Thực hiện ño dòng trung bình nguồn cung cấp (Iavg) cho cổng ñảo trên H3.2c khi 
Vin=0V, từ ñó tính công suất trung bình (Pavg) nguồn cung cấp cho cổng. 
c. Với mạch trên H3.2c, nối Vin với máy phát sóng vuông biên ñộ 5V, tần số ñể ở 
RANGE 100K. Hãy ño dòng trung bình nguồn cung cấp (Iavg) cho cổng ñảo khi núm 
chỉnh FREQUENCY ñể ở cựa tiểu và cực ñại. Từ ñó tính công suất trung bình (Pavg) 
nguồn cung cấp cho cổng tương ứng với mỗi trường hợp. 
d. Ghi các số liệu ño ñạc và tính toán vào Bảng 3.2c. 
Bảng 3.2c – Kết quả ño công suất nguồn cung cấp cho cổng ñảo CMOS 
ðại 
lượng Vin=5 Vin=0 Vin square wave, RANGE 
100k, FREQUENCY Min 
Vin square wave, RANGE 
100k, FREQUENCY Max 
Iavg[µA] 
Pavg[µW] 
3.3. Khảo sát cổng NAND và NOR 
3.3.1. Khảo sát cổng NAND 
a. Thực hiện cổng NAND dùng Block b trên Module – MOSFET logic gate circuits 
b. ðo và lập bảng sự thật (Bảng 3.3a) thể hiện hoạt ñộng của cổng NAND. 
Bảng 3.3a – Bảng sự thật cổng NAND 
A [V] B [V] Y [V] 
0 0 
0 5 
5 0 
5 5 
c. Ngỏ vào A nối 0V, ngỏ vào B nối máy phát sóng vuông biên ñộ 5V, tần số 1KHz, dùng 
dao ñộng ký vẽ lại dạng tín hiệu vào B và ra Y vào Bảng 3.3b. 
d. Ngỏ vào A nối 5V, ngỏ vào B nối máy phát sóng vuông biên ñộ 5V, tần số 1KHz, dùng 
dao ñộng ký vẽ lại dạng tín hiệu vào B và ra Y vào Bảng 3.3b. 
e. Ngỏ vào A và B nối máy phát sóng vuông biên ñộ 5V, tần số 1KHz, dùng dao ñộng ký 
vẽ lại dạng tín hiệu vào A, B và ra Y vào Bảng 3.3b. 
Electronic circuit Lab FEEE-University of Technology 
Page 10 
Electronic circuit Lab FEEE-University of Technology 
Page 11 
Electronic circuit Lab FEEE-University of Technology 
Page 12 
3.3.2. Khảo sát cổng NOR 
a. Thực hiện cổng NOR dùng Block b trên Module – MOSFET logic gate circuits 
b. ðo và lập bảng sự thật (Bảng 3.3c) thể hiện hoạt ñộng của cổng NOR. 
Bang 3.3c – Bảng sự thật cổng NOR 
A [V] B [V] Y [V] 
0 0 
0 5 
5 0 
5 5 
c. Ngỏ vào A nối 0V, ngỏ vào B nối máy phát sóng vuông biên ñộ 5V, tần số 1KHz, dùng 
dao ñộng ký vẽ lại dạng tín hiệu vào B và ra Y vào Bảng 3.3d. 
d. Ngỏ vào A nối 5V, ngỏ vào B nối máy phát sóng vuông biên ñộ 5V, tần số 1KHz, dùng 
dao ñộng ký vẽ lại dạng tín hiệu vào B và ra Y vào Bảng 3.3d. 
e. Ngỏ vào A và B nối máy phát sóng vuông biên ñộ 5V, tần số 1KHz, dùng dao ñộng ký 
vẽ lại dạng tín hiệu vào A, B và ra Y vào Bảng 3.3d. 
4. Báo cáo thí nghiệm 
- Phân tích so sánh kết quả lý thuyết với thực nghiệm 
- So sánh cổng ñảo NMOS với CMOS 
- Phân tích hoạt ñộng của các cổng NAND và NOR