如何用一隻無緩衝CMOS六反相器做出測試儀器?

本文討論了如何用一種六反相器IC做出四種測試件：一個有良好定義邏輯電壓窗口的邏輯筆，輸入阻抗約為1MΩ；一個開路測試儀，上限電阻可以從幾十歐到幾十兆歐；一個單脈衝或脈衝串注入器或簡單的信號發生器；還有一個是高阻音頻探頭。使用一隻4069中的六個反相門、兩或三隻電阻，以及少許無源元件，就可以做出這些測試儀器。

在雙門構成的CMOS/TTL兼容探頭中，R1至R4電阻網絡對反相器輸入端做偏置（圖1）。由於門有高輸入阻抗，因此R1至R4的值在大約100kΩ到1MΩ。探頭尖的吸入/供出電流很小，因為R1至R4有高阻抗，因此，探頭尖基本上不影響測試點的邏輯電平。知道了門的輸入閾值電壓後，就可以計算出所需要的R1至R4電阻值。

圖1：在雙門構成的CMOS/TTL兼容探頭中，R1至R4電阻網絡對反相器輸入端做偏置

圖2：這個單門構成的開路測試儀有可調的檢測閥值

上方的門檢測邏輯0，下方的門檢測邏輯1.將上限設定了邏輯0的電壓，計算出R1和R2的值。任意選擇R1= 1MΩ，去找一個R2的值，使得上方門輸入端的電壓正好是閾值電壓。於是R2=R1 （VT-VL）/ （VS-VT），其中VT是閾值電壓，VL是邏輯0電壓，而VS是電源電壓。同樣，給邏輯1電壓VT設定一個下限，按R3來尋找一個R4的值。適當地選擇R3，此時要注意各個門的靜態偏置，從而在探頭懸浮狀態下使各個LED熄滅，就可以得到R4的值：R4=R3VT/（VH-VT）。

下式計算探頭的電流：IP=[-（V-VI）（R3+ R4）+VI （R1+R2）]/（R1+R2）（R3+R4），其中IP是探頭電流，VI是探頭尖的電壓。因此，對探頭尖上的任何電壓，探頭阻抗均大於1MΩ。對於有更高閾值電壓的4069封裝（如3V），可以在正電源軌與晶片之間接一個二極體再跟隨一個10kΩ接地負載電阻，有助於降低這個電壓。

開發人員經常使用的開路測試儀（圖2）是基本的測試設備；這些測試儀是工作檯上不可缺少的裝備。用4069的一個門（有高輸入阻抗，以及門輸出轉換的閾值電壓）可以做成開路測試儀，其上限是測試電路的電阻。探頭之間的總阻抗以及開關結構的電阻構成了一個分壓網絡，在門的輸入端產生一個電壓。當兩個電阻相等時，門輸入端的電壓為電源電壓的一半。門的轉換閾值電壓也接近於電源電壓的一半，因此，開關分支選擇的電阻就設定了近似的開路測試電阻。

另一種有用的結構是用一隻可變電阻代替可切換電阻。這種方法可以通過調節可變電阻，在考慮到探頭尖之間的電阻，以及LED的發熱後，任意設定開路測試電阻。可變電阻的設置應使得LED正好熄滅。這種方法獲得了一個緊湊的結構，可以裝入一個小封裝內。另外一隻可變電阻（1kΩ到2kΩ）與負探頭串聯，從而能夠做大約100Ω或更小的開路電阻測試。另外還可以使用有較低轉換閾值電壓的門，方法是用一對二極體跟隨一個10kΩ的負載電阻，從正電源軌串聯到地。這種結構也可以經過適當修改後，用於測試有電的交流電線（參考文獻3），這樣就做出了五種設備。

現在4069封裝中還有三個門，其中兩個可以做一個非穩振蕩器/單穩式單脈衝發生器電路，一個互補雙極管對緩衝器用於增加驅動電流（圖3）。一隻SPDT（單刀雙擲）開關切換到P（脈衝）或A（非穩），就可以在兩種方式之間選擇。在脈衝模式下，按開關可在輸入端產生一個簡單的負向脈衝，送至第二個門，因為C2開始充電，門輸出端獲得的高電平在Q1與Q2的結點處產生一個正向脈衝。這個脈衝也被鎖定，開關去顫是通過電容C1的正反饋，它以R1、R2或R3決定的時間常數開始充電。當C1上的電壓等於閾值電壓時，第二個門的輸出再次通過C1的正反饋而返回為低，將第二個門的輸入端驅動為高，結束脈衝。