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关于TTL与CMOS的那些事儿

2年前浏览1227

1. TTL

TTL集成电路的主要形式为晶体管-晶体管逻辑门(Transistor-Transistor Logic gate),TTL大部分采用5V电源。

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
输入高电平Uih和输入低电平Uil
     UIH ≥ 2.0V,    UIL ≤ 0.8V
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

因为2.4V与5V之间还有很大空闲,对改善噪声容限并没什么好处,又会白白增大系统功耗,还会影响速度。所以后来就把一部分“砍”掉了。也就是后面的LVTTL。
  LVTTL又分3.3V、2.5V以及更低电压的LVTTL(LowVoltage TTL)。

     3.3V LVTTL:Vcc:3.3V;VOH>=2.4V;VOL<=0.4V;VIH>=2V;VIL<=0.8V。

     2.5V LVTTL:Vcc:2.5V;VOH>=2.0V;VOL<=0.2V;VIH>=1.7V;VIL<=0.7V。
  更低的LVTTL不常用。多用在处理器等高速芯片,使用时查看芯片手册就OK了。      

2. CMOS

CMOS电路是PMOS NMOS,场效应管结构电压控制器件,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。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.

输出高电平Uoh和输出低电平Uol
     UOH ≈ VCC,       UOL ≈ GND
输入高电平Uih和输入低电平Uil
     UIh ≥ 0.7VCC,   UIL ≤ 0.3VCC   (VCC为电源电压,GND为地)
从上面可以看出:
在同样5V电源电压情况下,CMOS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CMOS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。

CMOS相对TTL有了更大的噪声容限,输入阻抗远大于TTL输入阻抗。为了与3.3V LVTTL直接互相驱动,出现了LVCMOS。    

      3.3V LVCMOS:Vcc:3.3V;VOH>=3.2V;VOL<=0.1V;VIH>=2.0V;VIL<=0.7V。

  2.5V LVCMOS:Vcc:2.5V;VOH>=2V;VOL<=0.1V;VIH>=1.7V;VIL<=0.7V。

3. TTL 与 COMS

TTL电路是电流控制器件,而CMOS电路是电压控制器件。

TTL电路的速度快,传输延迟时间短(5-10ns),但是功耗大。CMOS电路的速度慢,传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。CMOS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。

 

CMOS电路的使用注意事项

1)CMOS电路是电压控制器件,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,给它一个固定的电平。

2)CMOS电路的闩锁效应:

CMOS结构内部寄生有可控硅结构,当输入或输入管脚高于VCC一定值(比如一些芯片是0.7V)时,电流足够大的话,内部电流急剧增大,除非切断电源,电流一直在增大(寄生的三极管处于正偏状态),引起闩锁效应,导致芯片的烧毁。当产生锁定效应时,CMOS的内部电流能达到40mA以上,很容易烧毁芯片;

    防御措施:

               a.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;

               b.芯片的电源输入端加去耦电路,防止VDD端出现瞬间的高压;

               c.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;

               d.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CMOS电路的电源,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CMOS电路电源;

3)由于TTL器件内部输入保护电路中的钳位二极管电流容量有限,一般为1mA,因此输入端接低内阻的信号源时,在输入端和信号源之间要串联限流电阻,限制输入的电流在1mA之内;

4)当接长信号传输线时,在CMOS电路端接匹配电阻;

5)当输入端接大电容时,应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;

6)CMOS的输入电流超过1mA,就有可能烧坏CMOS。(所以上拉一般是10k)


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)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。CMOS门电路就不用考虑这些了;

2)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;

3)TTL门电路的输入端通过一电阻接地,当该电阻小于1KΩ时,该输入端相当于接低电平;当该电阻大于几KΩ时,该输入端相当于接高电平。

4. OC门与OD门

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。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。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。



来源:8号线攻城狮
电源电路电子芯片控制
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首次发布时间:2022-08-08
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8号线攻城狮
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