TTL与CMOS电平OC门.docx

1、TTL与CMOS电平 OC门TTL、CMOS电平、OC门基本功1TTLTTL集成电路的主要型式为晶体管晶体管逻辑门（transistor-transistor logic gate），TTL大部分都采用5V电源。1. 输出高电平Uoh和输出低电平Uol Uoh=2.4V, Uol=0.4V2. 输入高电平和输入低电平 Uih=2.0V，Uil=0.8V2CMOSCMOS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，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。1.输出高电平Uoh和输出低电平Uol UohVCC，UolGND2.输入高电平

2、Uih和输入低电平Uil Uih=0.7VCC,Uil=0.2VCC 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的输出高电平大于2.0V,输出低电平小于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2.4V3.5V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。如果电路中出现3.3V的COMS电路去驱动5V CMOS电路的情况，如3.3V单片机去驱动74HC,这种情况有以下几种方

3、法解决，最简单的就是直接将74HC换成74HCT（74系列的输入输出在下面有介绍）的芯片，因为3.3V CMOS 可以直接驱动5V的TTL电路；或者加电压转换芯片；还有就是把单片机的I/O口设为开漏，然后加上拉电阻到5V，这种情况下得根据实际情况调整电阻的大小，以保证信号的上升沿时间。三74系列简介74系列可以说是我们平时接触的最多的芯片，74系列中分为很多种，而我们平时用得最多的应该是以下几种：74LS，74HC，74HCT这三种，这三种系列在电平方面的区别如下： 输入电平 输出电平 74LS TTL电平 TTL电平 74HC COMS电平 COMS电平 74HCT TTL电平 COMS电平

4、 +TTL和CMOS电平1、TTL电平(什么是TTL电平)： 输出高电平2.4V,输出低电平=2.0V，输入低电平=0.8V，噪声容限是0.4V。2、CMOS电平：1逻辑电平电压接近于电源电压，0逻辑电平接近于0V。而且具有很宽的噪声容限。3、电平转换电路：因为TTL和COMS的高低电平的值不一样（ttl 5vcmos 3.3v），所以互相连接时需要电平的转换：就是用两个电阻对电平分压，没有什么高深的东西。4、OC门，即集电极开路门电路，OD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。否则它一般只作为开关大电压和大电流负载，所以又叫做驱动门电路。5、TTL和COM

5、S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电路的锁定效应：COMS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，COMS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。 防御措施： 1）在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过不超过规定电压。2）芯片的电

6、源输入端加去耦电路，防止VDD端出现瞬间的高压。3）在VDD和外电源之间加限流电阻，即使有大的电流也不让它进去。4）当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列顺序：开启时，先开启COMS路得电 源，再开启输入信号和负载的电源；关闭时，先关闭输入信号和负载的电源，再关闭COMS电路的电源。6、COMS电路的使用注意事项 (1) COMS电路时电压控制器件，它的输入总抗很大，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

7、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。7、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

8、要注意。COMS门电路就不用考虑这些了。8、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。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。9、什么叫

9、做图腾柱，它与开漏电路有什么区别？TTL集成电路中，输出有接上拉三极管的输出叫做图腾柱输出，没有的叫做OC门。因为TTL就是一个三极管，图腾柱也就是两个三级管推挽相连。所以推挽就是图腾。一般图腾式输出，高电平400UA，低电平8MA+ CMOS 器件不用的输入端必须连到高电平或低电平, 这是因为 CMOS 是高输入阻抗器件, 理想状态是没有输入电流的. 如果不用的输入引脚悬空, 很容易感应到干扰信号, 影响芯片的逻辑运行, 甚至静电积累永久性的击穿这个输入端, 造成芯片失效.另外, 只有4000系列的CMOS 器件可以工作在15伏电源下, 74HC, 74HCT 等都只能工作在5伏电源下, 现

10、在已经有工作在 3伏和 2.5伏电源下的 CMOS 逻辑电路芯片了.CMOS电平和TTL电平：CMOS逻辑电平范围比较大，范围在315V，比如4000系列当5V供电时，输出在4.6以上为高电平，输出在0.05V以下为低电平。输入在3.5V以上为高电平，输入在1.5V以下为低电平。而对于TTL芯片，供电范围在05V，常见都是5V，如74系列5V供电，输出在2.7V以上为高电平，输出在 0.5V以下为低电平，输入在2V以上为高电平，在0.8V以下为低电平。因此，CMOS电路与TTL电路就有一个电平转换的问题，使两者电平域值能匹配。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

11、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

12、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 Vih Vt Vil VolIoh：逻辑门输出为高电平时的负载电流（为拉电流）。(拉和灌是站在外围电路的角度上考虑的)Iol：逻辑门输出为低电平时的负载电流（为灌电流）。Iih：逻辑门输入为高电平时的电流（为灌电流）。Iil：逻辑门输入为低电平时的电流（为拉电流）。门电路输出极在集成单元内不接负载电阻而直接引出作为输出端，这种形式的门称为开路门。开路的TTL、CMOS、ECL门分别称为集电极开路（OC）、漏极开路（OD）、发射极开路（OE），使用时应审查是否接上

13、拉电阻（OC、OD门）或下拉电阻（OE门），以及电阻阻值是否合适。对于集电极开路（OC）门，其上拉电阻阻值RL应满足下面条件：（1）RL （VCCVol）/（Iolm*Iil） 其中n：线与的开路门数；m：被驱动的输入端数。常用的逻辑电平有TTL、CMOS、LVTTL、ECL、PECL、GTL；RS232、RS422、LVDS等。其中TTL和CMOS的逻辑电平按典型电压可分为四类：5V系列（5V TTL和5V CMOS）、3.3V系列，2.5V系列和1.8V系列。5V TTL和5V CMOS逻辑电平是通用的逻辑电平。3.3V及以下的逻辑电平被称为低电压逻辑电平，常用的为LVTTL电平。低电压的

14、逻辑电平还有2.5V和1.8V两种。ECL/PECL和LVDS是差分输入输出。RS-422/485和RS-232是串口的接口标准，RS-422/485是差分输入输出，RS-232是单端输入输出。+OC门，又称集电极开路（漏极开路）与非门门电路，Open Collector（Open Drain）。为什么引入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”。OC门主要用于3个方面：实现与或非逻辑，用做电平转换，用做驱动器。由于OC门电路的输出管的集电极悬空，使用

15、时需外接一个上拉电阻Rp到电源VCC。OC门使用上拉电阻以输出高电平，此外为了加大输出引脚的驱动能力，上拉电阻阻值的选择原则，从降低功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大；从确保足够的驱动电流考虑应当足够小。线与逻辑，即两个输出端（包括两个以上）直接互连就可以实现“AND”的逻辑功能。在总线传输等实际应用中需要多个门的输出端并联连接使用，而一般TTL门输出端并不能直接并接使用，否则这些门的输出管之间由于低阻抗形成很大的短路电流（灌电流），而烧坏器件。在硬件上，可用OC门或三态门（ST门）来实现。 用OC门实现线与，应同时在输出端口应加一个上拉电阻。三态门（ST门）主要用在应用于多个门输出共享数据

16、总线，为避免多个门输出同时占用数据总线，这些门的使能信号（EN）中只允许有一个为有效电平（如高电平），由于三态门的输出是推拉式的低阻输出，且不需接上拉（负载）电阻，所以开关速度比OC门快，常用三态门作为输出缓冲器。+什么是OC、OD？集电极开路门(集电极开路 OC 或漏极开路 OD) Open-Drain是漏极开路输出的意思，相当于集电极开路(Open-Collector)输出，即TTL中的集电极开路（OC）输出。一般用于线或、线与，也有的用于电流驱动。Open-Drain是对MOS管而言，Open-Collector是对双极型管而言，在用法上没啥区别。开漏形式的电路有以下几个特点：a. 利用

17、外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。 或驱动比芯片电源电压高的负载。b. 可以将多个开漏输出的Pin，连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻辑”关系。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。如果作为图腾输出必须接上拉电阻。接容性负载时，下降延是芯片内的晶体管，是有源驱动，速度较快；上升延是无源的外接电阻，速度慢。如果要求速度高电阻选择要小，功耗会大。所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。c. 可以利用改变上拉电源的电压，改变传输电平。例如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。d. 开漏Pin不连接外部的上拉电阻，则只能输出低电平。一般

18、来说，开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的。 正常的CMOS输出级是上、下两个管子，把上面的管子去掉就是OPEN-DRAIN了。这种输出的主要目的有两个：电平转换和线与。由于漏级开路，所以后级电路必须接一上拉电阻，上拉电阻的电源电压就可以决定输出电平。这样你就可以进行任意电平的转换了。线与功能主要用于有多个电路对同一信号进行拉低操作的场合，如果本电路不想拉低，就输出高电平，因为OPEN-DRAIN上面的管子被拿掉，高电平是靠外接的上拉电阻实现的。（而正常的CMOS输出级，如果出现一个输出为高另外一个为低时，等于电源短路）。OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来

19、上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大；反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。TTL与CMOS集成电路目前应用最广泛的数字电路是TTL电路和CMOS电路。1、TTL电路 TTL电路以双极型晶体管为开关元件，所以又称双极型集成电路。双极型数字集成电路是利用电子和空穴两种不同极性的载流子进行电传导的器件。它具有速度高（开关速度快）、驱动能力强等优点，但其功耗较大，集成度相对较低。根据应用领域的不同，它分为54系列和74系列，前者为军品，一般工业设备和消费类电子产品多用后者。74系列数字集成电路是国际上通用的标准电路。其品

20、种分为六大类：74（标准）、74S（肖特基）、74LS（低功耗肖特基）、74AS（先进肖特基）、74ALS（先进低功耗肖特基）、74F（高速）、其逻辑功能完全相同。2、CMOS电路 MOS电路又称场效应集成电路，属于单极型数字集成电路。单极型数字集成电路中只利用一种极性的载流子（电子或空穴）进行电传导。它的主要优点是输入阻抗高、功耗低、抗干扰能力强且适合大规模集成。特别是其主导产品CMOS集成电路有着特殊的优点，如静态功耗几乎为零，输出逻辑电平可为VDD或VSS，上升和下降时间处于同数量级等，因而CMOS集成电路产品已成为集成电路的主流之一。其品种包括4000系列的CMOS电路以及74系列的高

21、速CMOS电路。其中74系列的高速CMOS电路又分为三大类：HC为CMOS工作电平；HCT为TTL工作电平（它可与74LS系列互换使用）；HCU适用于无缓冲级的CMOS电路。74系列高速CMOS电路的逻辑功能和引脚排列与相应的74LS系列的品种相同，工作速度也相当高，功耗大为降低。另外，随着推出BiCMOS集成电路，它综合了双极和MOS集成电路的优点，普通双极型门电路的长处正在逐渐消失，一些曾经占主导地位的TTL系列产品正在逐渐退出市场。CMOS门电路不断改进工艺，正朝着高速、低耗、大驱动能力、低电源电压的方向发展。BiCMOS集成电路的输入门电路采用CMOS工艺，其输出端采用双极型推拉式输出

22、方式，既具有CMOS的优势，又具有双极型的长处，已成为集成门电路的新宠。3、CMOS集成电路的性能及特点功耗低CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零。实际上，由于存在漏电流，CMOS电路尚有微量静态功耗。单个门电路的功耗典型值仅为20mW，动态功耗（在1MHz工作频率时）也仅为几mW。工作电压范围宽 CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。国产CC4000系列的集成电路，可在318V电压下正常工作。逻辑摆幅大 CMOS集成电路的逻辑高电平1、逻辑低电平0分别接近于电源高电位VDD及电源

23、低电位VSS。当VDD=15V，VSS=0V时，输出逻辑摆幅近似15V。因此，CMOS集成电路的电压利用系数在各类集成电路中指标是较高的。抗干扰能力强 CMOS集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45%，保证值为电源电压的30%。随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成比例增加。对于VDD=15V的供电电压（当VSS=0V时），电路将有7V左右的噪声容限。输入阻抗高 CMOS集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护网络，故比一般场效应管的输入电阻稍小，但在正常工作电压范围内，这些保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄露电流，通常情况下，等效输入

24、阻抗高达1031011?，因此CMOS集成电路几乎不消耗驱动电路的功率。温度稳定性能好 由于CMOS集成电路的功耗很低，内部发热量少，而且，CMOS电路线路结构和电气参数都具有对称性，在温度环境发生变化时，某些参数能起到自动补偿作用，因而CMOS集成电路的温度特性非常好。一般陶瓷金属封装的电路，工作温度为-55 +125?；塑料封装的电路工作温度范围为-45 +85?。扇出能力强 扇出能力是用电路输出端所能带动的输入端数来表示的。由于CMOS集成电路的输入阻抗极高，因此电路的输出能力受输入电容的限制，但是，当CMOS集成电路用来驱动同类型，如不考虑速度，一般可以驱动50个以上的输入端。抗辐射能

25、力强 CMOS集成电路中的基本器件是MOS晶体管，属于多数载流子导电器件。各种射线、辐射对其导电性能的影响都有限，因而特别适用于制作航天及核实验设备。可控性好 CMOS集成电路输出波形的上升和下降时间可以控制，其输出的上升和下降时间的典型值为电路传输延迟时间的125%140%。接口方便 因为CMOS集成电路的输入阻抗高和输出摆幅大，所以易于被其他电路所驱动，也容易驱动其他类型的电路或器件。+Q：为什么BJT比CMOS速度要快?A：很多人只知道BJT比CMOS快，但不知道为什么。主要是受迁移率的影响。以NPN管和NMOS为例，BJT中的迁移率是体迁移率，大约为1350cm2/vs。NMOS中是半

26、导体表面迁移率，大约在400-600cm2/vs。所以BJT的跨导要高于MOS的，速度快于MOS。这也是NPN（NMOS）比PNP（PMOS）快的原因。NPN比PNP快也是因为载流子迁移率不同，NPN中的基区少子是电子，迁移率大（1350左右）；PNP的基区少子是空穴（480左右）。所以同样的结构和尺寸的管子，NPN比PNP快。所以在双极工艺中，是以作NPN管为主，PNP都是在兼容的基础上做出来的。MOS工艺都是以N阱PSUB工艺为主，这种工艺可做寄生的PNP管，要做NPN管就要是P阱NSUB工艺。BJT是之所以叫bipolar，是因为基区中既存在空穴又存在电子，是两种载流子参与导电的；而MO

27、S器件的反形层中只有一种载流子参与导电。但并不是因为两种载流子导电总的迁移率就大了。而且情况可能恰恰相反。因为载流子的迁移率是与温度和掺杂浓度有关的。半导体的掺杂浓度越高，迁移率越小。而在BJT中，少子的迁移率起主要作用。NPN管比PNP管快的原因是NPN的基子少子是电子，PNP的是空穴，电子的迁移率比空穴大。NMOS比PMOS快也是这个原因。而NPN比NMOS快的原因是NPN是体器件，其载流子的迁移率是半导体内的迁移率；NMOS是表面器件，其载流子的迁移率是表面迁移率（因为反形层是在栅氧下的表面形成的）。而半导体的体迁移率大于表面迁移率。TTL和CMOS逻辑器件逻辑器件的分类方法有很多，下面

28、以逻辑器件的功能、工艺特点和逻辑电平等方法来进行简单描述。1、TTL和CMOS器件的功能分类 按功能进行划分，逻辑器件可以大概分为以下几类： 门电路和反相器、选择器、译码器、计数器、寄存器、触发器、锁存器、缓冲驱动器、收发器、总线开关、背板驱动器等。(1) 门电路和反相器逻辑门主要有与门74X08、与非门74X00、或门74X32、或非门74X02、异或门74X86、反相器74X04等。(2) 选择器选择器主要有2-1、4-1、8-1选择器74X157、74X153、74X151等。(3) 编/译码器编/译码器主要有2/4、3/8和4/16译码器74X139、74X138、74X154等。(4

29、) 计数器计数器主要有同步计数器74X161和异步计数器74X393等。(5) 寄存器寄存器主要有串-并移位寄存器74X164和并-串寄存器74X165等。(6) 触发器触发器主要有J-K触发器、带三态的D触发器74X374、不带三态的D触发器74X74、施密特触发器等。(7) 锁存器锁存器主要有D型锁存器74X373、寻址锁存器74X259等。(8) 缓冲驱动器缓冲驱动器主要有带反向的缓冲驱动器74X240和不带反向的缓冲驱动器74X244等。(9) 收发器收发器主要有寄存器收发器74X543、通用收发器74X245、总线收发器等。10)总线开关总线开关主要包括总线交换和通用总线器件等。(1

30、0) 背板驱动器背板驱动器主要包括TTL或LVTTL电平与GTL/GTL+（GTLP）或BTL之间的电平转换器件。2、TTL和MOS逻辑器件的工艺分类特点 按工艺特点进行划分，逻辑器件可以分为Bipolar、CMOS、BiCMOS等工艺，其中包括器件系列有：Bipolar（双极）工艺的器件有： TTL、S、LS、AS、F、ALS。CMOS工艺的器件有： HC、HCT、CD40000、ACL、FCT、LVC、LV、CBT、ALVC、AHC、AHCT、CBTLV、AVC、GTLP。BiCMOS工艺的器件有： BCT、ABT、LVT、ALVT。3、TTL和CMOS逻辑器件的电平分类特点TTL和CMO

31、S的电平主要有以下几种：5VTTL、5VCMOS（Vih=0.7*Vcc，Vil=0.3*Vcc）、3.3V电平、2.5V电平等。5V的逻辑器件5V器件包含TTL、S、LS、ALS、AS、HCT、HC、BCT、74F、ACT、AC、AHCT、AHC、ABT等系列器件3.3V及以下的逻辑器件包含LV的和V 系列及AHC和AC系列，主要有LV、AHC、AC、ALB、LVC、ALVC、LVT等系列器件。具体情况可以参考下图： 图1：TI公司的逻辑器件示例图4：包含特殊功能的逻辑器件A总线保持功能（Bus hold） 由内部反馈电路保持输入端最后的确定状态，防止因输入端浮空的不确定而导致器件振荡自激损坏；输入端无需外接上拉或下拉电阻，节省PCB空间，降低了器件成本开销和功耗。ABT、LV