深入理解TTL 与 CMOS 电路

前言:在电路设计中,深入理解TTLCMOS 电路的异同将会帮助我们事半功倍。


一、TTL与CMOS硬件基础

1.TTL

TTL集成电路的主要型式为晶体管-晶体管逻辑门(Transistor-Transistor Logic gate),TTL采用5V电源。
(1)输出高电平Uoh和输出低电平Uol
Uoh≥2.4V,   Uol≤0.4V
在室温下,一般输出高电平为3.5V
(2)输入高电平Uih和输入低电平Uil
Uih≥2.0V,    Uol≤0.8V
(3)噪声容限0.4V
噪声容限计算:噪声容限=min{高电平噪声容限,低电平噪声容限}
高电平噪声容限=最小输出高电平电压-最小输入高电平电压
低电平噪声容限=最大输入低电平电压-最大输出低电平电压
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TTL逻辑门电路

2.CMOS

CMOS电路是电压控制器件,输入电阻极大,对于干扰信号十分敏感,因此不用的输入端不应开路,应该接到地或者电源上CMOS电路的优点是噪声容限较宽,静态功耗很小。CMOS采用5~15V电源, 另外, 只有 4000 系列的 CMOS 器件可以工作在15V电源下, 74HC, 74HCT 等都只能工作在 5V电源下, 现在已经有工作在 3V和 2.5V电源下的 CMOS 逻辑电路芯片了。
(1)输出高电平Uoh和输出低电平Uol
Uoh≈VCC,       Uol≈GND
(2)输入高电平Uih和输入低电平Uil
Uih≥0.7VCC,   Uol≤0.2VCC   (VCC为电源电压,GND为地)
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cmos电路

从上面可以看出:

在同样5V电源电压情况下,COMS电路可以直接驱动TTL,因为CMOS的输出高电平VCC=5V大于2.0V,输出低电平GND=0V小于0.8V;而TTL电路则不能直接驱动CMOS电路,TTL的输出高电平为大于2.4V,如果落在2.4V~3.5V之间,则CMOS电路就不能检测到高电平,低电平小于0.4V满足要求,所以在TTL电路驱动COMS电路时需要加上拉电阻。如果出现不同电压电源的情况,也可以通过上面的方法进行判断。

二、TTL和COMS电路比较

1、TTL电路是电流控制器件,而CMOS电路是电压控制器件
2、TTL电路的速度快,传输延迟时间短(5-10ns),但是功耗大。COMS电路的速度慢,传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。COMS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关,频率越高,芯片集越热,这是正常现象。
3、COMS电路的使用注意事项

1) COMS电路时电压控制器件,它的输入阻抗很大,对干扰信号的捕捉能力很强。所以,不用的管脚不要悬空,要接上拉电阻或者下拉电阻,给它一个恒定的电平。
2) 输入端接低内阻的信号源时,要在输入端和信号源之间要串联限流电阻,使输入的电流限制在1mA之内。
3) 当接长信号传输线时,在COMS电路端接匹配电阻。
4) 当输入端接大电容时,应该在输入端和电容间接保护电阻。电阻值为R=V0/1mA.V0是外界电容上的电压。
5) COMS的输入电流超过1mA,就有可能烧坏COMS。

4、TTL门电路中输入端负载特性(输入端带电阻特殊情况的处理):

1)悬空时相当于输入端接高电平。因为这时可以看作是输入端接一个无穷大的电阻。
2)在门电路输入端串联10K电阻后再输入低电平,输入端出呈现的是高电平而不是低电平。因为由TTL门电路的输入端负载特性可知,只有在输入端接的串联电阻小于910欧 时,它输入来的低电平信号才能被门电路识别出来,串联电阻再大的话输入端就一直呈现高电平。这个一定要注意。COMS门电路就不用考虑这些了。

三、OC门OD门

1、OC(Open Collector)门,即集电极开路门电路(Open Collector),OD(Open Drain)门,即漏极开路门电路,必须外界上拉电阻和电源才能将开关电平作为高低电平用。

OC:集电极开路(Open Collector)
OD:漏极输出(Open Drain)
OC门和OD门是相对于两个器件而言的,OC门是对三极管而言,OD门是对场效应管而言。
OC门电路如下所示,Input信号连接至芯片,当input为高电平时,Q1导通,则Q2的基极电压为0,Q2截止,output为VCC2;当input为低电平时,Q1截止,Q2的基级电压为VCC1,Q2导通,output为0。

深入理解TTL 与 CMOS 电路 OC门深入理解TTL 与 CMOS 电路OD门

2、TTL电路有集电极开路OC门,MOS管也有和集电极对应的漏极开路的OD门,它的输出就叫做开漏输出。OC门在截止时有漏电流输出,那就是漏电流,为什么有漏电流呢?那是因为当三极管截止的时候,它的基极电流约等于0,但是并不是真正的为0,经过三极管的集电极的电流也就不是真正的 0,而是约0。而这个就是漏电流。
3、开漏输出:OC门的输出就是开漏输出;OD门的输出也是开漏输出。它可以吸收很大的电流,但是不能向外输出的电流。所以,为了能输入和输出电流,它使用的时候要跟电源和上拉电阻一齐用。OD门一般作为输出缓冲/驱动器、电平转换器以及满足吸收大负载电流的需要。
4、什么引入OC门?
实际使用中,有时需要两个或两个以上与非门的输出端连接在同一条导线上,将这些与非门上的数据(状态电平)用同一条导线输送出去。因此,需要一种新的与非门电路–OC门来实现“线与逻辑”。

四、有关逻辑电平的一些概念

要了解逻辑电平的内容,首先要知道以下几个概念的含义:

输入高电平(Vih):保证逻辑门的输入为高电平时所允许的最小输入高电平,当输入电平高于Vih时,则认为输入电平为高电平。
输入低电平(Vil):保证逻辑门的输入为低电平时所允许的最大输入低电平,当输入电平低于Vil时,则认为输入电平为低电平。
输出高电平(Voh):保证逻辑门的输出为高电平时的输出电平的最小值,逻辑门的输出为高电平时的电平值都必须大于此Voh。
输出低电平(Vol):保证逻辑门的输出为低电平时的输出电平的最大值,逻辑门的输出为低电平时的电平值都必须小于此Vol。
阀值电平(Vt):数字电路芯片都存在一个阈值电平,就是电路刚刚勉强能翻转动作时的电平。它是一个界于Vil、Vih之间的电压值,对于CMOS电路的阈值电平,基本上是二分之一的电源电压值,但要保证稳定的输 出,则必须要求输入高电平> Vih,输入低电平
对于一般的逻辑电平,以上参数的关系如下:Voh > Vih > Vt > Vil > Vol
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