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原创 [博客大赛]TTL和CMOS电平总结

2012-7-2 15:20 926 0 分类: 模拟

1,TTL电平(什么是TTL电平):
输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V。在室温下,一般输出高电平是3.5V,输出低电平是0.2V。最小输入高电平和低电平:输入高电平>=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 5v<==>cmos 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。哈哈
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COMS电路比较:
1)TTL电路是电流控制器件,而coms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COMS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400UA,低电平8MA
1.常用的电平转换方案

(1) 晶体管+上拉电阻法
就是一个双极型三极管或 MOSFET,C/D极接一个上拉电阻到正电源,输入电平很灵活,输出电平大致就是正电源电平。

(2) OC/OD 器件+上拉电阻法
跟 1) 类似。适用于器件输出刚好为 OC/OD 的场合。

(3) 74xHCT系列芯片升压 (3.3V→5V)
凡是输入与 5V TTL 电平兼容的 5V CMOS 器件都可以用作 3.3V→5V 电平转换。
——这是由于 3.3V CMOS 的电平刚好和5V TTL电平兼容(巧合),而 CMOS 的输出电平总是接近电源电平的。
廉价的选择如 74xHCT(HCT/AHCT/VHCT/AHCT1G/VHCT1G/...) 系列 (那个字母 T 就表示 TTL 兼容)。

(4) 超限输入降压法 (5V→3.3V, 3.3V→1.8V, ...)
凡是允许输入电平超过电源的逻辑器件,都可以用作降低电平。
这里的“超限”是指超过电源,许多较古老的器件都不允许输入电压超过电源,但越来越多的新器件取消了这个限制 (改变了输入级保护电路)。
例如,74AHC/VHC 系列芯片,其 datasheets 明确注明“输入电压范围为0~5.5V”,如果采用 3.3V 供电,就可以实现 5V→3.3V 电平转换。

(5) 专用电平转换芯片
最著名的就是 164245,不仅可以用作升压/降压,而且允许两边电源不同步。这是最通用的电平转换方案,但是也是很昂贵的 (俺前不久买还是¥45/片,虽是零售,也贵的吓人),因此若非必要,最好用前两个方案。

(6) 电阻分压法
最简单的降低电平的方法。5V电平,经1.6k+3.3k电阻分压,就是3.3V。

(7) 限流电阻法
如果嫌上面的两个电阻太多,有时还可以只串联一个限流电阻。某些芯片虽然原则上不允许输入电平超过电源,但只要串联一个限流电阻,保证输入保护电流不超过极限(如 74HC 系列为 20mA),仍然是安全的。

(8) 无为而无不为法
只要掌握了电平兼容的规律。某些场合,根本就不需要特别的转换。例如,电路中用到了某种 5V 逻辑器件,其输入是 3.3V 电平,只要在选择器件时选择输入为 TTL 兼容的,就不需要任何转换,这相当于隐含适用了方法3)。

(9) 比较器法
算是凑数,有人提出用这个而已,还有什么运放法就太恶搞了。


2. 电平转换的“五要素”

(1) 电平兼容
解决电平转换问题,最根本的就是要解决逻辑器件接口的电平兼容问题。而电平兼容原则就两条:
VOH > VIH
VOL < VIL
再简单不过了!当然,考虑抗干扰能力,还必须有一定的噪声容限:
|VOH-VIH| > VN+
|VOL-VIL| > VN-
其中,VN+和VN-表示正负噪声容限。
只要掌握这个原则,熟悉各类器件的输入输出特性,可以很自然地找到合理方案,如前面的方案(3)(4)都是正确利用器件输入特性的例子。

(2) 电源次序
多电源系统必须注意的问题。某些器件不允许输入电平超过电源,如果没有电源时就加上输入,很可能损坏芯片。这种场合性能最好的办法可能就是方案(5)——164245。如果速度允许,方案(1)(7)也可以考虑。

(3) 速度/频率
某些转换方式影响工作速度,所以必须注意。像方案(1)(2)(6)(7),由于电阻的存在,通过电阻给负载电容充电,必然会影响信号跳沿速度。为了提高速度,就必须减小电阻,这又会造成功耗上升。这种场合方案(3)(4)是比较理想的。

(4) 输出驱动能力
如果需要一定的电流驱动能力,方案(1)(2)(6)(7)就都成问题了。这一条跟上一条其实是一致的,因为速度问题的关键就是对负载电容的充电能力。

(5) 路数
某些方案元器件较多,或者布线不方便,路数多了就成问题了。例如总线地址和数据的转换,显然应该用方案(3)(4),采用总线缓冲器芯片(245,541,16245...),或者用方案(5)。
如果只有一两个信号要转换,弄个16245固然罗嗦,就是74AHC04之类的SO-14的芯片,也嫌大了,这是可以考虑 TI 或 Onsemi 的单/双门逻辑系列,如 74AHC1G04, 74AHCT1G04...可以节省板面积、优化布线。

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