CMOS集成电路实验器

CMOS集成电路具有电源电压范围大（3～18V）静态功耗低（门功耗在毫微瓦级）、输入阻抗高（达10\(^{12}\)欧）和抗干扰性强等优点，用途很广，目前我国已经能大批生产的品种达数百种。为了帮助广大无线电爱好者熟悉和学会使用这种集成电路，本文向读者推荐一组实验电路，这组电路均以CMOS与非门为基础，包括16个在日常生活中有实用价值的小制作项目，制作起来很有兴趣，所需元、器件的费用也不多。

实验器材包括CC4011集成电路一片，3DG12晶体管一只，2AP9一只，2CK11二只，发光二极管一只，HTD27A—1压电陶瓷发声元件一个，φ10×100中波磁棒一个，JRX—13F型继电器一个，高阻耳机一副，3伏玩具电动机一个，实验板一块，阻容元件若干。对一些元器件的主要要求是：3DG12的β值应大于100,100μF和22μF的电解电容应采用钽电解电容。

1．CMOS集成电路输出负载能力有限。CMOS门电路的输出端为低电平时要吸收电流，输出为高电平时要输出电流。这两个电流值均不大，不能用来去直接驱动继电器等负载，一般要通过三极管放大后再去带动大电流负载。附表给出了在业余条件下的负载电流能力，供读者参考。

CMOS门的容性负载能力规定在5000PF之内，否则会增加门电路的功耗，使门电路损坏。必要时，可在门的输出端串一个限流电阻，阻值为1KΩ～5KΩ。

2.CMOS电路的噪声容限虽然比较高，但如果使用不当也很容易受到外界干扰。这是由于CMOS电路的输入阻抗非常高，很容易受到外界电磁场的干扰。特别是当输入端带长线时，更容易受到干扰，解决办法是在长线的终端采取终端匹配或滤波等措施。例如：在图1电路中，当开关K的引线过长时，可在集成块输入端串接上一个电阻R\(_{2}\)，以防止产生振荡。C1是滤波电容。R\(_{1}\)是上偏电阻，并有降低输入端阻抗的作用。

3.CMOS集成电路“闲”端的处理；所谓“闲”端、就是指不用的输入端。在处理时可以将它接到电源V\(_{DD}\)上（或将门的“闲”端接地），也可以将它与另一个输入端并联起来使用。

4.CMOS集成电路的保存与使用：CC4011采用双列直插式封装（见图2），保存时要用铝箔纸包好，使其各个脚相互短路。做实验时，在其它元器件全部插接完毕后，再插入CMOS集成电路。焊接对，电烙铁外壳应当接地。

1．与非门的逻辑功能实验：

我们知道，与非门的逻辑符号有两种画法（见图3），图3a侧重使用与非门的“与非”功能。即A与B均输入1（高电平）时，输出为零（低电平）。图3b侧重使用与非门的“非或”功能，即A或者B之一输入为零时，输出则为1。“与非”和“非或”是用同一种与非门实现的，二者的关系必须搞清楚，否则在看逻辑图（尤其是看国外资料）时就会糊里糊涂。图4的实验电路可以帮助读者对此加深理解。图4a和图4b可以合并到一起，这里人为地分开画是为了强调与非门的双重功能。图4中已标示了CC4011的电源（14脚）、地（7脚）引脚，为了简单，在以后几个电路中就不再一一标出了。

2．验证反演规则：

反演规则是逻辑代数的一个重要规则。它的意思是：设F为逻辑表达式，如果将F中的“·”换成“＋”，“＋”换成“·”，原变量换为反变量，反变量换成原变量，那么所得到的就是F-。图5a中F=AB-·CD-，根据反演这算规则有F-=AB＋C-D。所以可以得到F=AB＋CD。图5的实验可以仿照图4方法进行，这个实验的结果可以验证AB-·CD-=AB＋CD

3.RS触发器：

RS触发器是最基本而又重要的一种触发器，字母“R”表示“复位”，字母“S”表示“置位”。由实验可以得到图6中的真值表。当R-和S-端均为1时，触发器能保持（寄存）状态不变。利用RS触发器这一特点，在数字电路中，常把它作为寄存器使用。应说明的是，当R-和S-同时为零时， Q和Q-可以出现都是1的暂态，如果R-和S-端零同时撤除，则Q和Q-状态不会保持上述暂态，而是状态不定。

4．线性交流放大器：

与非门虽然是数字电路，但也可以用作为线性放大器。图7是CMOS与非门的电压传输特性曲线。从数字电路的角度上看，希望曲线的陡峭部分尽量陡一些。而作为线性放大器使用时，它正好工作在这个陡峭区域内，应合理选择工作点，以避免失真。图7中利用反馈电阻R对门进行直流电压偏置，使偏置点建立在V\(_{in}\)=Vout=V\(_{DD}\)／2处，则门电路也可以作为小信号的交流放大器。图8是用三级与非门串联的交流放大器，电压增益为100，高频响应为100KHz、与非门的闲端接VDD，这种接法与将输入端并联起来使用的方法相比，可以使电路有更好的电压稳定性。图中R\(_{2}\)（10MΩ）如果太小，会使增益降低、失真增加。

5．用CMOS门电路制成的收音机：

图9收音机电路包括磁性天线调谐线圈、检波和低频放大三部分，使用3伏电池即可工作。收音时需加一段外接天线。

6．调幅无线电发射机：

图10是一个调幅发射机的简单电路，它包括高频振荡和低频振荡两部分。音频振荡器由与非门1和2构成，当R\(_{1}\)≈2R2时，电路输出为方波。高频振荡器由与非门3、4以及L、C\(_{2}\)构成，它受音频振荡器的调制，产生调幅度为100％的调幅振荡，然后利用磁棒线圈L将调幅波发射出去，发射距离约1米左右。此信号由调幅收音机的中波段接收。利用电键K，可以做无线电报发射的实验表演。

7．电子催眠器：

图11是使用压电陶瓷发声元件制成的电子催眠器电路。它由超低频振荡器和音频振荡器两部分构成。与非门1和2组成超低频振荡器，输出的超低频信号再去控制音频振荡器，使压电陶瓷发声元件发出有规则的“嗒、嗒”声，使人入睡。调整R\(_{1}\)阻值可以改变“嗒、嗒”声间隔的快慢。电路采用3伏电池（二节1.5V）供电，耗电极省，不必另设电源开关。

8．电动机调速装置：

图12也是一个振荡器。它的特点是，使用两只二极管将电容器C的充电路径和放电路径分开。这样以来，当调整电位器W的中心抽头时，W的总阻值（即两个固定引出端的阻值）不会变化，只是电位器中心抽头两边的两段电阻的比值发生变化。所以电路的振荡周期也不会变化，只是振荡电路振荡脉冲的占空比发生了变化。利用这种脉冲宽度可以调节的特点，可控制直流电动机的转速，使转速发生变化。当输出脉冲的宽度增加时，电机获得的脉动直流电压的平均值上升，转速就会加快；反之则速度减慢。图12是使用一个6V电源去控制一个3V玩具电动机的例子，其中与非门3和4并联起来使用是为了增加输出电流的驱动能力。

9．电子门铃：

图13是一个电子门铃电路，使用时，可用一个小木盒作为压电陶瓷发声元件的共鸣箱，以显著增强音量，一般说来可满足一个大单元住房使用。室外的按钮开关K，可用磷铜片自制。

10．瓶花的闪光装饰：

闪光电路如图14。可将发光二极管安装在塑料花的花芯上，打开电源后，发光管发出间断的闪光，使塑料花会更艳丽。如果想将此电路改为用3V电源供电，可参考图12，在图14电路后面再加一个三极管3DG12，发光二极管正极接电源，负极接3DG12的集电极。

11．有定时功能的闪光计时器：

图15是闪光计时器电路，它由与非门1和2构成秒振荡器，仔细调整电容C\(_{2}\)容量，使发光二极管每一秒钟亮一次。电路还设置了定时器电路，每按一下开关K，C1就很快充电，闪光器开始闪光。当手离开K后，C\(_{1}\)经电位器R1放电，放电速度决定了闪光的持续时间。调整R\(_{1}\)阻值，可将时间控制在10秒至50秒之间。该闪光计时器适用于暗室印像、放大照片等。如果将发光二极管换成压电陶瓷发声元件，用声音报时也可以。

12．直流变换器：

图16是一个直流变换器电路，它由振荡器和倍压整流两部分构成，可以输出11V负电压，提供的输出电流约2mA，可供运算放大器使用。

13．触摸式报警电路

CMOS电路的输入阻抗很高，所以利用人体感应的杂散电压，可以使门电路翻转。图17是一个触摸式报警电路，10MΩ电阻一方面将与非门A的第2脚电位降低到逻辑零电平，另一方面又保持着输入端有高阻抗的特点。当人手触及T点之后，门A的第2脚电位抬高，输出低电平，于是使门A和门B构成的RS触发器翻转，经BG\(_{1}\)驱动继电器J吸合，发出警报。报警声一直要持续到有人按一下清除开关K为止。图中电容C的数值要视触摸点T到门A的引线长短来定，线长0.3米时C取47PF；线长0.5米时C取100PF。

14．触摸式延时开关：

利用CMOS高输入阻抗的特点，还可以制成如图18所示的延时触摸开关。平时C\(_{2}\)两端已充满电，为高电平。当手触及T点后，二极管D1导通，使C\(_{2}\)通过二极管放电，此时与非门B的第6脚电位变低而第4脚电位抬高，使BG1导通，继电器J吸合，常开接点接通，灯亮。而当手离开T点之后，C\(_{2}\)经R2充电，经过大约10秒钟的时间，J释放，灯灭。该电路适用于走廊灯的自动控制。

15．触摸锁定开关：

图19的触摸开关，有两对触摸点，当手触T\(_{1}\)点时可以使灯亮；触到T2点后，可以熄灯。电路中的与非门A和与非门B构成RS触发器，触点T\(_{1}\)和T2分别接在触发器的S-和R-端，静态时S-和R-为高电平，与非门A输出低电平，与非门B输出高电平，与非门C输出低电平，BG\(_{1}\)不导通，继电器J不动作，常开接点断开，电灯不亮；当用人手触及图19中的接点T1时，由人体电阻（约100K）使T\(_{1}\)触点导通，使与非门A的输入端S-由高电平变为低电平，RS触发器工作状态翻转，使得与非门B输出端变为低电平，与非门C输出高电平，BG1导通，继电器J吸合，接点接通。电灯点亮；当用手去触及触点T\(_{2}\)时，B与非门输入端的R-由高电平变为低电平，输出端变为高电平，与非门C输出低电平，BG1截止，灯泡就熄灭了。此电路可用于台灯控制。其触点T\(_{1}\)、T2可用金属装饰物进行巧妙安排。

16.肘控开关

当你用两只手端着东西进、出厨房时，如果再想用手去拉电灯的拉线开关，就会感到很不方便。如果电灯不用拉线开关，而采用肘控开关就方便多了。图20是肘控开关的电路图，电路的核心是由与非门A和B构成的一个交替激发电路，电阻R\(_{1}\)是一个正反馈电阻。每按一次按钮开关K，电路的输出状态便翻转一次。开关K可用磷铜片制成，在铜片的上面装上一块用绝缘的塑料板制作的肘控压板，将开关K和压板一起安装在门框上。进出厨房时，只要用肘轻轻压一下开关压板，就可以达到开灯或关灯的目的。需要注意的是，如果开关K离电路的距离较远，引线超过1米时，可以考虑如图20所示加一个滤波电容C1，以防止由于外界干扰引起电路误动作。

使用CMOS集成电路还可以构成其它许多实验电路，限于篇幅关系，本文就不再一一列举了。介绍上面这一组实验的目的，是让读者仅用不多的几个元器件和一块实验电路板，就可做多种有趣、有启发性而且实用的小实验，可帮助读者较快地熟悉和掌握CMOS集成电路的特点和应用。（许奇雄）