電子學實驗(2) 實驗報告 實驗日期：2020/3/16
姓名/學號：第五組 林傳瑾 陳彥翔 鄭豪濬 模擬評分： 實驗評分：
實驗名稱：實習 31
1. 實驗電路(可將模擬電路圖形貼上，若無模擬圖形則手繪)
2. 電路原理及實驗目的
◎實驗目的
(1)瞭解 CMOS 數位 IC 的特性。
(2)認識 CMOS 與 TTL 數位 IC 的優缺點。
(3)熟悉 CMOS 數位 IC 的基本應用。
◎電路原理
3. 實驗結果與分析
工作一：CMOS 基本閘的特性實驗
1. CD4011B 的內部有 4 個 NAND gate 可供使用，𝑉𝐷𝐷 為第 14 腳，𝑉𝑆𝑆 為第 7
腳，可參考圖 31-22(a)。
2. 把 CD4011B 接上 5𝑉 電源。
3. 以三用電表第 1 腳對地電壓𝑉1 = 0 伏特，第 2 腳對地電壓𝑉2 = 0 伏特，
第 3 腳對地電壓𝑉3 = 4.999 伏特。
4. 以三用電表測量其他 3 個 NAND gate 之輸入與輸出端空著不接時之電壓值
𝑉5 = 0 伏特，𝑉6 = 0 伏特，𝑉4 = 4.999 伏特。
𝑉8 = 0 伏特，𝑉9 = 0 伏特，𝑉10 = 4.999 伏特。
𝑉12 = 0 伏特，𝑉13 = 0 伏特，𝑉11 = 4.999 伏特。
以上測試值與第 3 步驟時相同嗎？ 答：相同
5. 將各 NAND gate 之輸入端(即第 1、2、5、6、8、9、12、13)接地。
6. 以三用電表測量各 NAND gate 之輸出電壓。(即分別測第 3、4、10、11 腳
之對地電壓)
𝑉3 = 4.999 伏特，𝑉4 = 4.999 伏特，𝑉10 = 4.999 伏特，𝑉11 = 4.999 伏
特。
各輸出電壓是否相等？ 答：是
7. 將各 NAND gate 之輸入端改接𝑉𝐷𝐷 (即正電源)。
8. 以三用電表測量各 NAND gate 之輸出電壓。
𝑉3 = −0.0002 伏特，𝑉4 = −0.0002 伏特，𝑉10 = −0.0002 伏特，
𝑉11 = −0.0002 伏特。
各輸出電壓是否相等？ 答：是
9. 依圖 31-25 測得輸入電流= 0 µA。
依圖 31-26 測得輸入電流= 0 µA。
由以上測試可知 CMOS 之輸入電阻很大或很小？ 答：很大
10. 在圖 31-27 至 31-29 中，根據不同的輸入狀態(1 表示接𝑉𝐷𝐷 ，0 表示接
𝑉𝑆𝑆 )，以三用電表測量其輸出狀態，填於真值表中(輸出電壓𝑉𝐹 > 0.7𝑉𝐷𝐷 為
邏輯 1， 𝑉𝐹 < 0.3𝑉𝐷𝐷 為邏輯 0)。
11. 按圖 31-30 接妥電路，輸出端的負載電阻暫不接上，輸出電壓𝑉 = 4.999
伏特，接上負載電阻並調 1 kΩ可變電阻器使輸出電壓𝑉為電源電壓𝑉𝐷𝐷 的
1
，然後將負載電阻拆離電路，以三用電表測得此時之負載電阻值= 718
2
Ω，此值即為 PMOS 的輸出阻抗。
12. 按圖 31-31 接妥電路，輸出端的負載電阻暫不接上，輸出電壓𝑉 =
−0.0001 伏特，接上負載電阻並調 1 kΩ可變電阻器使輸出電壓𝑉為電源
1
電壓𝑉𝐷𝐷 的2，然後將負載電阻拆離電路，用三用電表測得此時之負載電阻
= 545 Ω，此值即為 NMOS 的輸出阻抗。
◎分析
可看出 4 個 NAND gate 各輸入端電壓很相近，各輸出端電壓也很相近。
工作二：基本閘的轉移特性曲線測繪
1. 接妥圖 31-32 之電路。𝑉𝐷𝐷 = 5 𝑉。
2. 轉動 10 kΩ可變電阻器使 𝑉𝑖𝑛 的值如表 31-2 所示，並記錄相對應的 𝑉𝑜 值
於表 31-2 中。
𝑉𝑖𝑛 0𝑉 1𝑉 1.5 𝑉 1.8 𝑉 2𝑉 2.2 𝑉 2.4 𝑉
𝑉𝑜 4.773 4.773 4.773 4.773 4.773 4.773 0.0012
𝑉𝑖𝑛 2.5 𝑉 2.6 𝑉 2.8 𝑉 3𝑉 3.5 𝑉 4𝑉 4.5 𝑉 5𝑉
𝑉𝑜 0 0 0 0 0 0 0 0
3. 將表 31-2 的𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑜 值以藍筆繪於圖 31-32(b)中獲得𝑉𝐷𝐷 = 5 𝑉的𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑜
轉移特性曲線。
4. 將圖 31-32(a)的𝑉𝐷𝐷 值改為 10 𝑉，然後轉動 10 kΩ可變電阻器使 𝑉𝑖𝑛 的值
如表 31-3 所示，並記錄相對應的 𝑉𝑜 值於表 31-3 中。
𝑉𝑖𝑛 0𝑉 1𝑉 2𝑉 3𝑉 4𝑉 4.5 𝑉 4.8 𝑉
𝑉𝑜 9.74 9.73 9.73 9.73 9.73 9.73 9.72
𝑉𝑖𝑛 5𝑉 5.2 𝑉 5.5 𝑉 6𝑉 7𝑉 8𝑉 9𝑉 10 𝑉
𝑉𝑜 0.0082 0.0082 0.0081 0.0084 0.0126 0.0064 0.0064 0.006
5. 將表 31-3 的𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑜 值以紅筆繪於圖 31-32(b)中獲得𝑉𝐷𝐷 = 10 𝑉的𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑜
轉移特性曲線。
轉移特性曲線
12
10
𝑉𝑜 6
10 V
4
5V
2
0
0 2 4 6 8 10 12
𝑉𝑖𝑛
6. 依圖 31-33 接妥電路，加上電源𝑉𝐷𝐷 = 5 𝑉後測得𝑉𝑇 =2.535 伏特。
工作三：介面電路實驗
1. 接妥圖 31-34(a)之電路，電源𝑉𝐷𝐷 = 𝑉CC = 5 𝑉，以三用電表測量𝑉F與𝑉𝐹′ 之
電壓並記錄於圖 31-34(b)中。
𝑉𝑖𝑛 𝑉F(𝑉) 𝑉𝐹′ (𝑉)
1 0.1467 4.997
0 4.435 0
2. 於 31-34(a)之𝑉𝐹′ 處接一個 10 kΩ的電阻器至正電源，成為圖 31-35(a)，然後
測量電壓並記錄於 31-35(b)中。
𝑉𝑖𝑛 𝑉F(𝑉) 𝑉𝐹′ (𝑉)
1 0.1734 4.998
0 4.994 0
3. 接妥圖 31-36(a)之電路，電源𝑉𝐷𝐷 = 𝑉CC = 5 𝑉，以三用電表測量𝑉F與𝑉𝐹′ 之
電壓並記錄於圖 31-36(b)中。
𝑉𝑖𝑛 𝑉F(𝑉) 𝑉𝐹′ (𝑉)
𝑉𝐷𝐷 0.0556 4.434
𝑉SS 4.998 0.1481
4. 於 31-36(a)之𝑉𝐹′ 處接一個 1 kΩ的電阻器至地，成為圖 31-37(a)，然後測量
電壓並記錄於 31-37(b)中。
𝑉𝑖𝑛 𝑉F(𝑉) 𝑉𝐹′ (𝑉)
𝑉𝐷𝐷 0.0445 4.434
𝑉SS 3.06 0.1481
5. 接妥 31-38(a)之電路，二極體用 1N4001～1N4007 皆可，然後以三用電表
測量𝑉F與𝑉𝐹′ ，並記錄在圖 31-38(b)中。
𝑉𝑖𝑛 𝑉F(𝑉) 𝑉𝐹′ (𝑉)
𝑉𝐷𝐷 0.0007 1.357
𝑉SS 9.9 5.047
◎分析
能利用各種不同接法來達成不同基本邏輯閘的特性。
工作三：以 CMOS 驅動負載
1. 接妥圖 31-39(a)之電路，電源𝑉𝐷𝐷 = 5 𝑉，然後把不同輸入狀態時 LED 之
亮、熄填入表 31-39(b)中。
2. 圖 31-39 中 LED 亮是代表 NAND gate 的輸出為“1”或“0“？
答：1
3. 接妥圖 31-40(a)之電路，電源𝑉𝐷𝐷 = 5 𝑉，然後把不同輸入狀態時 LED 之
亮、熄填入表 31-40(b)中。
4. 圖 31-40 中 LED 亮是代表 NAND gate 的輸出為“1”或“0“？
答：0
13. 習題
1. CMOS 數位 IC 於輸入為 Hi 或 Low 的靜止消耗功率為零，是述其原因。
Ans：於輸入電流為 Hi 或 Low 之靜止狀態下 PMOS 與 NMOS 中必有一種為
OFF，故從𝑉𝐷𝐷 流往𝑉SS 之電流為零，不消耗功率。
2. 當電源同為5𝑉的情形下，TTL 的雜訊免疫力為 0.3𝑉，CMOS 的雜訊免疫力
為多少伏特？
Ans：5𝑉 × 30% = 1.5𝑉。
3. 4000A 與 4000B 系列數位 IC 之電源範圍各為多少？
Ans：4000A：3𝑉~15𝑉
4000B：3𝑉~18𝑉。
4. CMOS 輸入端是否可以空接？何故？
Ans：不可以空接；以免受雜訊干擾而造成錯誤的輸出。
5. CMOS 的輸入阻抗大或小？所需之輸入電流大或小？
Ans：輸入阻抗大；輸入電流小。
6. 圖 31-38(a)中之二極體有何作用？
Ans：避免輸入電壓大於𝑉CC 。
