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TTL和CMOS电路特点及区别
2009-10-10 17:41
TTL和CMOS电路特点及区别
TTL门电路的空载功耗较CMOS门的静态功耗是较大的；CMOS的噪声容限更大，抗干扰能力更强；TTL的速度高于CMOS；CMOS驱动负载能力更强……
1. TTL即Transistor-Transistor Logic。TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这被称做TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。TTL电平信号对于计算机处理器控制的设备内部的数据传输是很理想的，首先计算机处理器控制的设备内部的数据传输对于电源的要求不高以及热损耗也较低，另外TTL电平信号直接与集成电路连接而不需要价格昂贵的线路驱动器以及接收器电路；再者，计算机处理器控制的设备内部的数据传输是在高速下进行的，而TTL接口的操作恰能满足这个要求。TTL型通信大多数情况下，是采用并行数据传输方式，而并行数据传输对于超过10英尺的距离就不适合了。这是由于可靠性和成本两面的原因。因为在并行接口中存在着偏相和不对称的问题，这些问题对可靠性均有影响。 TTL电路不使用的输入端悬空为高电平。
最小输出高电平VOHmin：2.4V ，输出低电平VOLmax：0.4V。在室温下，一般输出高电平是3.5V 输出低电平是0.2V。最小输入高电平VIHmin：2.0V ，最大输入低电平VILmax：0.8V ；它的噪声容限是0.4V。

2. CMOS即Complementary metal-oxide-semiconductor。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。CMOS电路输出高电平约为0.9Vcc，而输出低电平约为 0.1Vcc。CMOS电路不使用的输入端不能悬空，会造成逻辑混乱。另外，CMOS集成电路电源电压可以在较大范围内变化，因而对电源的要求不像TTL集成电路那样严格。

3. 电平转换电路：TTL推动CMOS，因为信号为高电平时，TTL输出和CMOS输入的电压值不一样（TTL VOHmin=2.4v < CMOS VIHmin=3.5v），所以互相连接时需要电平的转换：就是用一个拉电阻接电源给TTL输出升压。

4. OC门，又称集电极开路与非门门电路，Open Collector（Open Drain）。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： 
1、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。 
2、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。 
3、三态门（ST门）主要用在应用于多个门输出共享数据总线，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。

OD门，即漏极开路门电路open-drain，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。开漏形式的电路有以下几个特点：
1.利用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.
2.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。
3.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。
4.开漏Pin不连接外部的上拉电阻，则只能输出低电平。一般来说，开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的。
5.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。 
6.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。
7.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。）
8.OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。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。 



5. TTL和CMOS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。 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。
3）CMOS电路的锁定效应：CMOS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，CMOS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和外电源之间加线流电阻，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CMOS电路得电源，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CMOS电路的电源。

6. CMOS电路的使用注意事项 
1）CMOS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）输入端接低内组的信号源时，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CMOS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）CMOS的输入电流超过1mA，就有可能烧坏CMOS。



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。这个一定要注意。CMOS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？那是因为当三机管截止的时候，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。
9. 什么叫做图腾柱，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就是一个三级关，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400μA，低电平8mA。