詳解TTL和CMOS電平

“TTL電平”最常用于有關(guān)電專業(yè)，如：電路、數(shù)字電路、微機(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)等課程中都有所涉及。在數(shù)字電路中只有兩種電平（高和低）高電平+5V、低電平0V.同樣運(yùn)用比較廣泛的還有CMOS電平、232電平、485電平等。
　　TTL電路
　　TTL集成電路的主要型式為晶體管－晶體管邏輯門（transistor-transistor logic gate），TTL大部分都采用5V電源。
　　1.輸出高電平Uoh和輸出低電平Uol
　　Uoh≥2.4V，Uol≤0.4V
　　2.輸入高電平和輸入低電平
　　Uih≥2.0V，Uil≤0.8V
　　CMOS電路
　　CMOS電路是電壓控制器件，輸入電阻極大，對于干擾信號十分敏感，因此不用的輸入端不應(yīng)開路，接到地或者電源上。CMOS電路的優(yōu)點(diǎn)是噪聲容限較寬，靜態(tài)功耗很小。
　　1.輸出高電平Uoh和輸出低電平Uol
　　Uoh≈VCC，Uol≈GND
　　2.輸入高電平Uoh和輸入低電平Uol
　　Uih≥0.7VCC，Uil≤0.2VCC（VCC為電源電壓，GND為地）
　　從上面可以看出：
　　在同樣5V電源電壓情況下，COMS電路可以直接驅(qū)動TTL，因?yàn)镃MOS的輸出高電平大于2.0V，輸出低電平小于0.8V；而TTL電路則不能直接驅(qū)動CMOS電路，TTL的輸出高電平為大于2.4V，如果落在2.4V～3.5V之間，則CMOS電路就不能檢測到高電平，低電平小于0.4V滿足要求，所以在TTL電路驅(qū)動COMS電路時需要加上拉電阻。如果出現(xiàn)不同電壓電源的情況，也可以通過上面的方法進(jìn)行判斷。
　　如果電路中出現(xiàn)3.3V的COMS電路去驅(qū)動5V CMOS電路的情況，如3.3V單片機(jī)去驅(qū)動74HC，這種情況有以下幾種方法解決，最簡單的就是直接將74HC換成74HCT（74系列的輸入輸出在下面有介紹）的芯片，因?yàn)?.3V CMOS可以直接驅(qū)動5V的TTL電路；或者加電壓轉(zhuǎn)換芯片；還有就是把單片機(jī)的I/O口設(shè)為開漏，然后加上拉電阻到5V，這種情況下得根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整電阻的大小，以保證信號的上升沿時間。
　　74系列簡介
　　74系列可以說是我們平時接觸的最多的芯片，74系列中分為很多種，而我們平時用得最多的應(yīng)該是以下幾種：74LS，74HC，74HCT這三種，這三種系列在電平方面的區(qū)別如下：
　　輸入電平輸出電平
　　74LS TTL電平TTL電平
　　74HC COMS電平COMS電平
　　74HCT TTL電平COMS電平
　　TTL和CMOS電平
　　1、TTL電平（什么是TTL電平）：
　　輸出高電平》2.4V，輸出低電平=2.0V，輸入低電平cmos 3.3v），所以互相連接時需要電平的轉(zhuǎn)換：就是用兩個電阻對電平分壓，沒有什么高深的東西。
　　2、OC門，即集電極開路門電路，OD門，即漏極開路門電路，必須外界上拉電阻和電源才能將開關(guān)電平作為高低電平用。否則它一般只作為開關(guān)大電壓和大電流負(fù)載，所以又叫做驅(qū)動門電路。
　　3、TTL和COMS電路比較：
　　1）TTL電路是電流控制器件，而CMOS電路是電壓控制器件。
　　2）TTL電路的速度快，傳輸延遲時間短（5-10ns），但是功耗大。COMS電路的速度慢，傳輸延遲時間長（25-50ns），但功耗低。COMS電路本身的功耗與輸入信號的脈沖頻率有關(guān)，頻率越高，芯片集越熱，這是正常現(xiàn)象。
　　3）COMS電路的鎖定效應(yīng)：
　　COMS電路由于輸入太大的電流，內(nèi)部的電流急劇增大，除非切斷電源，電流一直在增大。這種效應(yīng)就是鎖定效應(yīng)。當(dāng)產(chǎn)生鎖定效應(yīng)時，COMS的內(nèi)部電流能達(dá)到40mA以上，很容易燒毀芯片。
　　防御措施：1）在輸入端和輸出端加鉗位電路，使輸入和輸出不超過不超過規(guī)定電壓。2）芯片的電源輸入端加去耦電路，防止VDD端出現(xiàn)瞬間的高壓。3）在VDD和外電源之間加限流電阻，即使有大的電流也不讓它進(jìn)去。4）當(dāng)系統(tǒng)由幾個電源分別供電時，開關(guān)要按下列順序：開啟時，先開啟COMS路得電源，再開啟輸入信號和負(fù)載的電源；關(guān)閉時，先關(guān)閉輸入信號和負(fù)載的電源，再關(guān)閉COMS電路的電源。
　　4、COMS電路的使用注意事項(xiàng)
　　1）COMS電路時電壓控制器件，它的輸入總抗很大，對干擾信號的捕捉能力很強(qiáng)。所以，不用的管腳不要懸空，要接上拉電阻或者下拉電阻，給它一個恒定的電平。
　　2）輸入端接低內(nèi)阻的信號源時，要在輸入端和信號源之間要串聯(lián)限流電阻，使輸入的電流限制在1mA之內(nèi)。
　　3）當(dāng)接長信號傳輸線時，在COMS電路端接匹配電阻。
　　4）當(dāng)輸入端接大電容時，應(yīng)該在輸入端和電容間接保護(hù)電阻。電阻值為R=V0/1mA.V0是外界電容上的電壓。
　　5）COMS的輸入電流超過1mA，就有可能燒壞COMS.
　　7、TTL門電路中輸入端負(fù)載特性（輸入端帶電阻特殊情況的處理）：
　　1）懸空時相當(dāng)于輸入端接高電平。因?yàn)檫@時可以看作是輸入端接一個無窮大的電阻。
　　2）在門電路輸入端串聯(lián)10K電阻后再輸入低電平，輸入端出呈現(xiàn)的是高電平而不是低電平。因?yàn)橛蒚TL門電路的輸入端負(fù)載特性可知，只有在輸入端接的串聯(lián)電阻小于910歐時，它輸入來的低電平信號才能被門電路識別出來，串聯(lián)電阻再大的話輸入端就一直呈現(xiàn)高電平。這個一定要注意。COMS門電路就不用考慮這些了。
　　8、TTL電路有集電極開路OC門，MOS管也有和集電極對應(yīng)的漏極開路的OD門，它的輸出就叫做開漏輸出。OC門在截止時有漏電流輸出，那就是漏電流，為什么有漏電流呢？那是因?yàn)楫?dāng)三極管截止的時候，它的基極電流約等于0，但是并不是真正的為0，經(jīng)過三極管的集電極的電流也就不是真正的0，而是約0.而這個就是漏電流。
　　開漏輸出：OC門的輸出就是開漏輸出；OD門的輸出也是開漏輸出。它可以吸收很大的電流，但是不能向外輸出的電流。所以，為了能輸入和輸出電流，它使用的時候要跟電源和上拉電阻一齊用。OD門一般作為輸出緩沖/驅(qū)動器、電平轉(zhuǎn)換器以及滿足吸收大負(fù)載電流的需要。
　　9、什么叫做圖騰柱，它與開漏電路有什么區(qū)別？
　　TTL集成電路中，輸出有接上拉三極管的輸出叫做圖騰柱輸出，沒有的叫做OC門。因?yàn)門TL就是一個三級關(guān)，圖騰柱也就是兩個三級管推挽相連。所以推挽就是圖騰。一般圖騰式輸出，高電平400UA，低電平8MA.
　　CMOS器件不用的輸入端必須連到高電平或低電平，這是因?yàn)镃MOS是高輸入阻抗器件，理想狀態(tài)是沒有輸入電流的。如果不用的輸入引腳懸空，很容易感應(yīng)到干擾信號，影響芯片的邏輯運(yùn)行，甚至靜電積累永久性的擊穿這個輸入端，造成芯片失效。
　　另外，只有4000系列的CMOS器件可以工作在15伏電源下， 74HC， 74HCT等都只能工作在5伏電源下，現(xiàn)在已經(jīng)有工作在3伏和2.5伏電源下的CMOS邏輯電路芯片了。
　　CMOS電平和TTL電平：
　　CMOS邏輯電平范圍比較大，范圍在3～15V，比如4000系列當(dāng)5V供電時，輸出在4.6以上為高電平，輸出在0.05V以下為低電平。輸入在3.5V以上為高電平，輸入在1.5V以下為低電平。
　　而對于TTL芯片，供電范圍在0～5V，常見都是5V，如74系列5V供電，輸出在2.7V以上為高電平，輸出在0.5V以下為低電平，輸入在2V以上為高電平，在0.8V以下為低電平。因此，CMOS電路與TTL電路就有一個電平轉(zhuǎn)換的問題，使兩者電平域值能匹配。
　　有關(guān)邏輯電平的一些概念：
　　要了解邏輯電平的內(nèi)容，首先要知道以下幾個概念的含義：
　　1：輸入高電平（Vih）：保證邏輯門的輸入為高電平時所允許的最小輸入高電平，當(dāng)輸入電平高于Vih時，則認(rèn)為輸入電平為高電平。
　　2：輸入低電平（Vil）：保證邏輯門的輸入為低電平時所允許的最大輸入低電平，當(dāng)輸入電平低于Vil時，則認(rèn)為輸入電平為低電平。
　　3：輸出高電平（Voh）：保證邏輯門的輸出為高電平時的輸出電平的最小值，邏輯門的輸出為高電平時的電平值都必須大于此Voh.
　　4：輸出低電平（Vol）：保證邏輯門的輸出為低電平時的輸出電平的最大值，邏輯門的輸出為低電平時的電平值都必須小于此Vol.
　　5：閥值電平（Vt）：數(shù)字電路芯片都存在一個閾值電平，就是電路剛剛勉強(qiáng)能翻轉(zhuǎn)動作時的電平。它是一個界于Vil、Vih之間的電壓值，對于CMOS電路的閾值電平，基本上是二分之一的電源電壓值，但要保證穩(wěn)定的輸出，則必須要求輸入高電平》 Vih，輸入低電平對于一般的邏輯電平，以上參數(shù)的關(guān)系如下：
　　Voh 》 Vih 》 Vt 》 Vil 》 Vol
　　6：Ioh：邏輯門輸出為高電平時的負(fù)載電流（為拉電流）。
　　7：Iol：邏輯門輸出為低電平時的負(fù)載電流（為灌電流）。
　　8：Iih：邏輯門輸入為高電平時的電流（為灌電流）。
　　9：Iil：邏輯門輸入為低電平時的電流（為拉電流）。
　　門電路輸出極在集成單元內(nèi)不接負(fù)載電阻而直接引出作為輸出端，這種形式的門稱為開路門。開路的TTL、CMOS、ECL門分別稱為集電極開路（OC）、漏極開路（OD）、發(fā)射極開路（OE），使用時應(yīng)審查是否接上拉電阻（OC、OD門）或下拉電阻（OE門），以及電阻阻值是否合適。對于集電極開路（OC）門，其上拉電阻阻值RL應(yīng)滿足下面條件：
　?。?）：RL（VCC－Vol）/（Iol＋m*Iil）
　　其中n：線與的開路門數(shù)；m：被驅(qū)動的輸入端數(shù)。
　　10：常用的邏輯電平
　　。邏輯電平：有TTL、CMOS、LVTTL、ECL、PECL、GTL；RS232、RS422、LVDS等。
　　。其中TTL和CMOS的邏輯電平按典型電壓可分為四類：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邏輯電平是通用的邏輯電平。
　　。3.3V及以下的邏輯電平被稱為低電壓邏輯電平，常用的為LVTTL電平。
　　。低電壓的邏輯電平還有2.5V和1.8V兩種。
　　。ECL/PECL和LVDS是差分輸入輸出。
　　。RS-422/485和RS-232是串口的接口標(biāo)準(zhǔn)，RS-422/485是差分輸入輸出，RS-232是單端輸入輸出。
　　OC門
　　OC門，又稱集電極開路（漏極開路）與非門門電路，Open Collector（Open Drain）。
　　為什么引入OC門？
　　實(shí)際使用中，有時需要兩個或兩個以上與非門的輸出端連接在同一條導(dǎo)線上，將這些與非門上的數(shù)據(jù)（狀態(tài)電平）用同一條導(dǎo)線輸送出去。因此，需要一種新的與非門電路——OC門來實(shí)現(xiàn)“線與邏輯”。
　　OC門主要用于3個方面：
　　1、實(shí)現(xiàn)與或非邏輯，用做電平轉(zhuǎn)換，用做驅(qū)動器。由于OC門電路的輸出管的集電極懸空，使用時需外接一個上拉電阻Rp到電源VCC.OC門使用上拉電阻以輸出高電平，此外為了加大輸出引腳的驅(qū)動能力，上拉電阻阻值的選擇原則，從降低功耗及芯片的灌電流能力考慮應(yīng)當(dāng)足夠大；從確保足夠的驅(qū)動電流考慮應(yīng)當(dāng)足夠小。
　　2、線與邏輯，即兩個輸出端（包括兩個以上）直接互連就可以實(shí)現(xiàn)“AND”的邏輯功能。在總線傳輸?shù)葘?shí)際應(yīng)用中需要多個門的輸出端并聯(lián)連接使用，而一般TTL門輸出端并不能直接并接使用，否則這些門的輸出管之間由于低阻抗形成很大的短路電流（灌電流），而燒壞器件。在硬件上，可用OC門或三態(tài)門（ST門）來實(shí)現(xiàn)。用OC門實(shí)現(xiàn)線與，應(yīng)同時在輸出端口應(yīng)加一個上拉電阻。
　　3、三態(tài)門（ST門）主要用在應(yīng)用于多個門輸出共享數(shù)據(jù)總線，為避免多個門輸出同時占用數(shù)據(jù)總線，這些門的使能信號（EN）中只允許有一個為有效電平（如高電平），由于三態(tài)門的輸出是推拉式的低阻輸出，且不需接上拉（負(fù)載）電阻，所以開關(guān)速度比OC門快，常用三態(tài)門作為輸出緩沖器。
　　什么是OC、OD？
　　集電極開路門（集電極開路OC或漏極開路OD）
　　Open-Drain是漏極開路輸出的意思，相當(dāng)于集電極開路（Open-Collector）輸出，即TTL中的集電極開路（OC）輸出。一般用于線或、線與，也有的用于電流驅(qū)動。
　　Open-Drain是對MOS管而言，Open-Collector是對雙極型管而言，在用法上沒啥區(qū)別。
　　開漏形式的電路有以下幾個特點(diǎn)：
　　a.利用外部電路的驅(qū)動能力，減少IC內(nèi)部的驅(qū)動?；蝌?qū)動比芯片電源電壓高的負(fù)載。
　　b.可以將多個開漏輸出的Pin，連接到一條線上。通過一只上拉電阻，在不增加任何器件的情況下，形成“與邏輯”關(guān)系。這也是I2C，SMBus等總線判斷總線占用狀態(tài)的原理。如果作為圖騰輸出必須接上拉電阻。接容性負(fù)載時，下降延是芯片內(nèi)的晶體管，是有源驅(qū)動，速度較快；上升延是無源的外接電阻，速度慢。如果要求速度高電阻選擇要小，功耗會大。所以負(fù)載電阻的選擇要兼顧功耗和速度。
　　c.可以利用改變上拉電源的電壓，改變傳輸電平。例如加上上拉電阻就可以提供TTL/CMOS電平輸出等。
　　d.開漏Pin不連接外部的上拉電阻，則只能輸出低電平。一般來說，開漏是用來連接不同電平的器件，匹配電平用的。
　　正常的CMOS輸出級是上、下兩個管子，把上面的管子去掉就是OPEN-DRAIN了。這種輸出的主要目的有兩個：電平轉(zhuǎn)換和線與。
　　由于漏級開路，所以后級電路必須接一上拉電阻，上拉電阻的電源電壓就可以決定輸出電平。這樣你就可以進(jìn)行任意電平的轉(zhuǎn)換了。
　　線與功能主要用于有多個電路對同一信號進(jìn)行拉低操作的場合，如果本電路不想拉低，就輸出高電平，因?yàn)镺PEN-DRAIN上面的管子被拿掉，高電平是靠外接的上拉電阻實(shí)現(xiàn)的。（而正常的CMOS輸出級，如果出現(xiàn)一個輸出為高另外一個為低時，等于電源短路。）
　　OPEN-DRAIN提供了靈活的輸出方式，但是也有其弱點(diǎn)，就是帶來上升沿的延時。因?yàn)樯仙厥峭ㄟ^外接上拉無源電阻對負(fù)載充電，所以當(dāng)電阻選擇小時延時就小，但功耗大；反之延時大功耗小。所以如果對延時有要求，則建議用下降沿輸出。
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