深入理解TTL 与 CMOS 电路

来源，硬件之家   http://www.allchiphome.com/post/ttl_cmos_circuit

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

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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

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)

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门与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。

OC门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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