TTL与CMOS电平__OC门

1、TTL、CMOS电平、OC门基本功1 TTLTTL集成电路的主要型式为晶体管晶体管逻辑门（transistor-transistor logic gate），TTL大部分都采用5V电源。1. 输出高电平Uoh和输出低电平Uol Uoh2.4V, Uol0.4V2. 输入高电平和输入低电平 Uih2.0V，Uil0.8V2 CMOSCMOS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，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。1. 输出高电平Uoh和输出低电平Uol UohVCC，UolGND2. 输入高电平Uih和输入低电平Uil U

2、ih0.7VCC,Uil0.2VCC 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的输出高电平大于2.0V,输出低电平小于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2.4V3.5V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。如果电路中出现3.3V的COMS电路去驱动5V CMOS电路的情况，如3.3V单片机去驱动74HC,这种情况有以下几种方法解决，最简单的就是直接将74H

3、C换成74HCT（74系列的输入输出在下面有介绍）的芯片，因为3.3V CMOS 可以直接驱动5V的TTL电路；或者加电压转换芯片；还有就是把单片机的I/O口设为开漏，然后加上拉电阻到5V，这种情况下得根据实际情况调整电阻的大小，以保证信号的上升沿时间。三74系列简介74系列可以说是我们平时接触的最多的芯片，74系列中分为很多种，而我们平时用得最多的应该是以下几种：74LS，74HC，74HCT这三种，这三种系列在电平方面的区别如下： 输入电平 输出电平 74LS TTL电平 TTL电平 74HC COMS电平 COMS电平 74HCT TTL电平 COMS电平+TTL和CMOS电平1、 TT

4、L电平(什么是TTL电平)： 输出高电平2.4V,输出低电平=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 5vcmos 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。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) T

5、TL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，

6、防止VDD端出现瞬间的高压。3）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。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

7、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

8、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。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

9、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就是一个三极管，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+ CMOS 器件不用的输入端必须连到高电平或低电平, 这是因为 CMOS 是高输入阻抗器件, 理想状态是没有输入电流的. 如果不用的输入引脚悬空, 很容易感应到干扰信号, 影响芯片的逻辑运行, 甚至静电积累永久性的击穿这个输入端, 造成芯片失效.另外, 只有4000系列的CMOS 器件可以工作在15伏电源下, 74HC, 74HCT 等都只能工作在5伏电源下, 现在已经有工作在 3

10、伏和 2.5伏电源下的 CMOS 逻辑电路芯片了.CMOS电平和TTL电平：CMOS逻辑电平范围比较大，范围在315V，比如4000系列当5V供电时，输出在4.6以上为高电平，输出在0.05V以下为低电平。输入在3.5V以上为高电平，输入在1.5V以下为低电平。而对于TTL芯片，供电范围在05V，常见都是5V，如74系列5V供电，输出在2.7V以上为高电平，输出在 0.5V以下为低电平，输入在2V以上为高电平，在0.8V以下为低电平。因此，CMOS电路与TTL电路就有一个电平转换的问题，使两者电平域值能匹配。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

11、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C

12、MOS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 Vih Vt Vil VolIoh：逻辑门输出为高电平时的负载电流（为拉电流）。(拉和灌是站在外围电路的角度上考虑的)Iol：逻辑门输出为低电平时的负载电流（为灌电流）。Iih：逻辑门输入为高电平时的电流（为灌电流）。Iil：逻辑门输入为低电平时的电流（为拉电流）。门电路输出极在集成单元内不接负载电阻而直接引出作为输出端，这种形式的门称为开路门。开路的TTL、CMOS、ECL门分别称为集电极开路（OC）、漏极开路（OD）、发射极开路（OE），使用时应审查是否接上拉电阻（OC、OD

13、门）或下拉电阻（OE门），以及电阻阻值是否合适。对于集电极开路（OC）门，其上拉电阻阻值RL应满足下面条件：（1） RL （VCCVol）/（Iolm*Iil） 其中n：线与的开路门数；m：被驱动的输入端数。常用的逻辑电平有TTL、CMOS、LVTTL、ECL、PECL、GTL；RS232、RS422、LVDS等。其中TTL和CMOS的逻辑电平按典型电压可分为四类：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逻辑电平是通用的逻辑电平。3.3V及以下的逻辑电平被称为低电压逻辑电平，常用的为LVTTL电平。低电压的逻辑电平还有2.

14、5V和1.8V两种。ECL/PECL和LVDS是差分输入输出。RS-422/485和RS-232是串口的接口标准，RS-422/485是差分输入输出，RS-232是单端输入输出。+OC门，又称集电极开路（漏极开路）与非门门电路，Open Collector（Open Drain）。为什么引入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”。OC门主要用于3个方面：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

15、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。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。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

16、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。+什么是OC、OD？集电极开路门(集电极开路 OC 或漏极开路 OD) Open-Drain是漏极开路输出的意思，相当于集电极开路(Open-Collector)输出，即TTL中的集电极开路（OC）输出。一般用于线或、线与，也有的用于电流驱动。Open-Drain是对MOS管而言，Open-Collector是对双极型管而言，在用法上没啥区别。开漏形式的电路有以下几个特点：a. 利用外部电路的驱动能

17、力，减少IC内部的驱动。 或驱动比芯片电源电压高的负载。b. 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。c. 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。d. 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

18、连接不同电平的器件，匹配电平用的。 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。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。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）。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

19、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。TTL与CMOS集成电路目前应用最广泛的数字电路是TTL电路和CMOS电路。1、TTL电路 TTL电路以双极型晶体管为开关元件，所以又称双极型集成电路。双极型数字集成电路是利用电子和空穴两种不同极性的载流子进行电传导的器件。它具有速度高（开关速度快）、驱动能力强等优点，但其功耗较大，集成度相对较低。根据应用领域的不同，它分为54系列和74系列，前者为军品，一般工业设备和消费类电子产品多用后者。74系列数字集成电路是国际上通用的标准电路。其品种分为六大类：7

20、4（标准）、74S（肖特基）、74LS（低功耗肖特基）、74AS（先进肖特基）、74ALS（先进低功耗肖特基）、74F（高速）、其逻辑功能完全相同。2、CMOS电路 MOS电路又称场效应集成电路，属于单极型数字集成电路。单极型数字集成电路中只利用一种极性的载流子（电子或空穴）进行电传导。它的主要优点是输入阻抗高、功耗低、抗干扰能力强且适合大规模集成。特别是其主导产品CMOS集成电路有着特殊的优点，如静态功耗几乎为零，输出逻辑电平可为VDD或VSS，上升和下降时间处于同数量级等，因而CMOS集成电路产品已成为集成电路的主流之一。其品种包括4000系列的CMOS电路以及74系列的高速CMOS电路。

21、其中74系列的高速CMOS电路又分为三大类：HC为CMOS工作电平；HCT为TTL工作电平（它可与74LS系列互换使用）；HCU适用于无缓冲级的CMOS电路。74系列高速CMOS电路的逻辑功能和引脚排列与相应的74LS系列的品种相同，工作速度也相当高，功耗大为降低。另外，随着推出BiCMOS集成电路，它综合了双极和MOS集成电路的优点，普通双极型门电路的长处正在逐渐消失，一些曾经占主导地位的TTL系列产品正在逐渐退出市场。CMOS门电路不断改进工艺，正朝着高速、低耗、大驱动能力、低电源电压的方向发展。BiCMOS集成电路的输入门电路采用CMOS工艺，其输出端采用双极型推拉式输出方式，既具有CM

22、OS的优势，又具有双极型的长处，已成为集成门电路的新宠。3、CMOS集成电路的性能及特点功耗低CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零。实际上，由于存在漏电流，CMOS电路尚有微量静态功耗。单个门电路的功耗典型值仅为20mW，动态功耗（在1MHz工作频率时）也仅为几mW。工作电压范围宽 CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。国产CC4000系列的集成电路，可在318V电压下正常工作。逻辑摆幅大 CMOS集成电路的逻辑高电平1、逻辑低电平0分别接近于电源高电位VDD及电源低电位VSS。当

23、VDD=15V，VSS=0V时，输出逻辑摆幅近似15V。因此，CMOS集成电路的电压利用系数在各类集成电路中指标是较高的。抗干扰能力强 CMOS集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45%，保证值为电源电压的30%。随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成比例增加。对于VDD=15V的供电电压（当VSS=0V时），电路将有7V左右的噪声容限。输入阻抗高 CMOS集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护网络，故比一般场效应管的输入电阻稍小，但在正常工作电压范围内，这些保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄露电流，通常情况下，等效输入阻抗高达1031

24、011?，因此CMOS集成电路几乎不消耗驱动电路的功率。温度稳定性能好 由于CMOS集成电路的功耗很低，内部发热量少，而且，CMOS电路线路结构和电气参数都具有对称性，在温度环境发生变化时，某些参数能起到自动补偿作用，因而CMOS集成电路的温度特性非常好。一般陶瓷金属封装的电路，工作温度为-55 +125；塑料封装的电路工作温度范围为-45 +85。扇出能力强 扇出能力是用电路输出端所能带动的输入端数来表示的。由于CMOS集成电路的输入阻抗极高，因此电路的输出能力受输入电容的限制，但是，当CMOS集成电路用来驱动同类型，如不考虑速度，一般可以驱动50个以上的输入端。抗辐射能力强 CMOS集成电

25、路中的基本器件是MOS晶体管，属于多数载流子导电器件。各种射线、辐射对其导电性能的影响都有限，因而特别适用于制作航天及核实验设备。可控性好 CMOS集成电路输出波形的上升和下降时间可以控制，其输出的上升和下降时间的典型值为电路传输延迟时间的125%140%。接口方便 因为CMOS集成电路的输入阻抗高和输出摆幅大，所以易于被其他电路所驱动，也容易驱动其他类型的电路或器件。+Q：为什么BJT比CMOS速度要快?A：很多人只知道BJT比CMOS快，但不知道为什么。主要是受迁移率的影响。以NPN管和NMOS为例，BJT中的迁移率是体迁移率，大约为1350cm2/vs。NMOS中是半导体表面迁移率，大约

26、在400-600cm2/vs。所以BJT的跨导要高于MOS的，速度快于MOS。这也是NPN（NMOS）比PNP（PMOS）快的原因。NPN比PNP快也是因为载流子迁移率不同，NPN中的基区少子是电子，迁移率大（1350左右）；PNP的基区少子是空穴（480左右）。所以同样的结构和尺寸的管子，NPN比PNP快。所以在双极工艺中，是以作NPN管为主，PNP都是在兼容的基础上做出来的。MOS工艺都是以N阱PSUB工艺为主，这种工艺可做寄生的PNP管，要做NPN管就要是P阱NSUB工艺。BJT是之所以叫bipolar，是因为基区中既存在空穴又存在电子，是两种载流子参与导电的；而MOS器件的反形层中只有

27、一种载流子参与导电。但并不是因为两种载流子导电总的迁移率就大了。而且情况可能恰恰相反。因为载流子的迁移率是与温度和掺杂浓度有关的。半导体的掺杂浓度越高，迁移率越小。而在BJT中，少子的迁移率起主要作用。NPN管比PNP管快的原因是NPN的基子少子是电子，PNP的是空穴，电子的迁移率比空穴大。NMOS比PMOS快也是这个原因。而NPN比NMOS快的原因是NPN是体器件，其载流子的迁移率是半导体内的迁移率；NMOS是表面器件，其载流子的迁移率是表面迁移率（因为反形层是在栅氧下的表面形成的）。而半导体的体迁移率大于表面迁移率。TTL和CMOS逻辑器件逻辑器件的分类方法有很多，下面以逻辑器件的功能、工

28、艺特点和逻辑电平等方法来进行简单描述。1、TTL和CMOS器件的功能分类 按功能进行划分，逻辑器件可以大概分为以下几类： 门电路和反相器、选择器、译码器、计数器、寄存器、触发器、锁存器、缓冲驱动器、收发器、总线开关、背板驱动器等。(1) 门电路和反相器逻辑门主要有与门74X08、与非门74X00、或门74X32、或非门74X02、异或门74X86、反相器74X04等。(2) 选择器选择器主要有2-1、4-1、8-1选择器74X157、74X153、74X151等。(3) 编/译码器编/译码器主要有2/4、3/8和4/16译码器74X139、74X138、74X154等。(4) 计数器计数器主要

29、有同步计数器74X161和异步计数器74X393等。(5) 寄存器寄存器主要有串-并移位寄存器74X164和并-串寄存器74X165等。(6) 触发器触发器主要有J-K触发器、带三态的D触发器74X374、不带三态的D触发器74X74、施密特触发器等。(7) 锁存器锁存器主要有D型锁存器74X373、寻址锁存器74X259等。(8) 缓冲驱动器缓冲驱动器主要有带反向的缓冲驱动器74X240和不带反向的缓冲驱动器74X244等。(9) 收发器收发器主要有寄存器收发器74X543、通用收发器74X245、总线收发器等。10)总线开关总线开关主要包括总线交换和通用总线器件等。(10) 背板驱动器背板

30、驱动器主要包括TTL或LVTTL电平与GTL/GTL+（GTLP）或BTL之间的电平转换器件。2、TTL和MOS逻辑器件的工艺分类特点 按工艺特点进行划分，逻辑器件可以分为Bipolar、CMOS、BiCMOS等工艺，其中包括器件系列有：Bipolar（双极）工艺的器件有： TTL、S、LS、AS、F、ALS。CMOS工艺的器件有： HC、HCT、CD40000、ACL、FCT、LVC、LV、CBT、ALVC、AHC、AHCT、CBTLV、AVC、GTLP。BiCMOS工艺的器件有： BCT、ABT、LVT、ALVT。3、TTL和CMOS逻辑器件的电平分类特点TTL和CMOS的电平主要有以下几

31、种：5VTTL、5VCMOS（Vih0.7*Vcc，Vil0.3*Vcc）、3.3V电平、2.5V电平等。5V的逻辑器件5V器件包含TTL、S、LS、ALS、AS、HCT、HC、BCT、74F、ACT、AC、AHCT、AHC、ABT等系列器件3.3V及以下的逻辑器件包含LV的和V 系列及AHC和AC系列，主要有LV、AHC、AC、ALB、LVC、ALVC、LVT等系列器件。具体情况可以参考下图： 图1：TI公司的逻辑器件示例图4：包含特殊功能的逻辑器件A总线保持功能（Bus hold） 由内部反馈电路保持输入端最后的确定状态，防止因输入端浮空的不确定而导致器件振荡自激损坏；输入端无需外接上拉或

32、下拉电阻，节省PCB空间，降低了器件成本开销和功耗。ABT、LVT、ALVC、ALVCH、ALVTH、LVC、GTL系列器件有此功能。命名特征为附加了“H”如：74ABTH16244。 图2：总线保持功能图 图3：串行阻尼电阻图B串联阻尼电阻（series damping resistors） 输出端加入串联阻尼电阻可以限流，有助于降低信号上冲/下冲噪声，消除线路振铃，改善信号质量。具有此特征的ABT、LVC、LVT、ALVC系列器件在命名中加入了“2”或“R”以示区别，如ABT162245，ALVCHR162245。对于单向驱动器件，串联电阻加在其输出端，命名如SN74LVC2244；对于双

33、向的收发器件，串联电阻加在两边的输出端，命名如SN74LVCR2245。C上电/掉电三态（PU3S，Power up/power down 3-state） 即热拔插性能。上电/掉电时器件输出端为三态，Vcc阀值为2.1V；应用于热拔插器件/板卡产品，确保拔插状态时输出数据的完整性。多数ABT、LVC、LVT、LVTH系列器件有此特征。DABT 器件（Advanced BiCMOS Technology） 结合了CMOS器件(如HC/HCT、LV/LVC、ALVC、AHC/AHCT)的高输入阻抗特性和双极性器件(Bipolar，如TTL、LS、AS、ALS)输出驱动能力强的特点。包括ABT、L

34、VT、ALVT等系列器件，应用于低电压，低静态功耗环境。EVcc/GND对称分布 16位Widebus器件的重要特征，对称配置引脚，有利于改善噪声性能。AHC/AHCT、AVT、AC/ACT、CBT、LVT、ALVC、LVC、ALB系列16位Widebus器件有此特征。F分离轨器件（Split-rail） 即双电源器件，具有两种电源输入引脚VccA和VccB，可分别接5V或3.3V电源电压。如ALVC164245、LVC4245等，命名特征为附加了“4”。5：逻辑器件的使用指南多余不用输入管脚的处理 在多数情况下，集成电路芯片的管脚不会全部被使用。例如74ABT16244系列器件最多可以使用1

35、6路I/O管脚，但实际上通常不会全部使用，这样就会存在悬空端子。所有数字逻辑器件的无用端子必须连接到一个高电平或低电平，以防止电流漂移（具有总线保持功能的器件无需处理不用输入管脚）。究竟上拉还是下拉由实际器件在何种方式下功耗最低确定。 244、16244经测试在接高电平时静态功耗较小，而接地时静态功耗较大，故建议其无用端子处理以通过电阻接电源为好，电阻值推荐为110K。选择板内驱动器件的驱动能力，速度，不能盲目追求大驱动能力和高速的器件，应该选择能够满足设计要求，同时有一定的余量的器件，这样可以减少信号过冲，改善信号质量。 并且在设计时必须考虑信号匹配。在对驱动能力和速度要求较高的场合，如高速

36、总线型信号线，可使用ABT、LVT系列。板间接口选择ABT16244/245或LVTH16244/245，并在母板两端匹配，在不影响速度的条件下与母板接口尽量串阻，以抑制过冲、保护器件，典型电阻值为10- 200左右，另外，也可以使用并接二级管来进行处理，效果也不错，如1N4148等（抗冲击较好）。在总线达到产生传输线效应的长度后，应考虑对传输线进行匹配，一般采用的方式有始端匹配、终端匹配等。 始端匹配是在芯片的输出端串接电阻，目的是防止信号畸变和地弹反射，特别当总线要透过接插件时，尤其须做始端匹配。 内部带串联阻尼电阻的器件相当于始端匹配，由于其阻值固定，无法根据实际情况进行调整，在多数场合

37、对于改善信号质量收效不大，故此不建议推荐使用。始端匹配推荐电阻值为1051 ，在实际使用中可根据IBIS模型模拟仿真确定其具体值。 由于终端匹配网络加重了总线负载，所以不应该因为匹配而使Buffer的实际驱动电流大于驱动器件所能提供的最大Source、Sink电流值。应选择正确的终端匹配网络，使总线即使在没有任何驱动源时，其线电压仍能保持在稳定的高电平。要注意高速驱动器件的电源滤波。如ABT、LVT系列芯片在布线时，建议在芯片的四组电源引脚附近分别接0.1 或0.01 电容。可编程器件任何电源引脚、地线引脚均不能悬空；在每个可编程器件的电源和地间要并接0.1uF的去耦电容，去耦电容尽量靠近电源

38、引脚，并与地形成尽可能小的环路。收发总线需有上拉电阻或上下拉电阻，保证总线浮空时能处于一个有效电平，以减小功耗和干扰。373/374/273等器件为工作可靠，锁存时钟输入建议串入10200欧电阻。时钟、复位等引脚输入往往要求较高电平，必要时可上拉电阻。注意不同系列器件是否有带电插拔功能及应用设计中的注意事项。注意电平接口的兼容性。 选用器件时要注意电平信号类型，对于有不同逻辑电平互连的情况，请遵守本规范的相应的章节的具体要求。在器件工作过程中，为保证器件安全运行，器件引脚上的电压及电流应严格控制在器件手册指定的范围内。逻辑器件的工作电压不要超出它所允许的范围。逻辑器件的输入信号不要超过它所能允

39、许的电压输入范围，不然可能会导致芯片性能下降甚至损坏逻辑器件。对开关量输入应串电阻，以避免过压损坏。对于带有缓冲器的器件不要用于线性电路，如放大器。TTL、CMOS器件的互连1：逻辑器件的互连总则 在不同逻辑电平器件之间进行互连时主要考虑以下几点：电平关系，必须保证在各自的电平范围内工作，否则，不能满足正常逻辑功能，严重时会烧毁芯片。驱动能力，必须根据器件的特性参数仔细考虑，计算和试验，否则很可能造成隐患，在电源波动，受到干扰时系统就会崩溃。时延特性，在高速信号进行逻辑电平转换时，会带来较大的延时，设计时一定要充分考虑其容限。选用电平转换逻辑芯片时应慎重考虑，反复对比。通常逻辑电平转换芯片为通

40、用转换芯片，可靠性高，设计方便，简化了电路，但对于具体的设计电路一定要考虑以上三种情况，合理选用。 对于数字电路来说，各种器件所需的输入电流、输出驱动电流不同，为了驱动大电流器件、远距离传输、同时驱动多个器件，都需要审查电流驱动能力：输出电流应大于负载所需输入电流；另一方面，TTL、CMOS、ECL等输入、输出电平标准不一致，同时采用上述多种器件时应考虑电平之间的转换问题。 我们在电路设计中经常遇到不同的逻辑电平之间的互连，不同的互连方法对电路造成以下影响：对逻辑电平的影响。应保证合格的噪声容限（VohminVihmin0.4V，VilmaxVolmax 0.4V)，并且输出电压不超过输入电压

41、允许范围。对上升/下降时间的影响。应保证Tplh和Tphl满足电路时序关系的要求和EMC的要求。对电压过冲的影响。过冲不应超出器件允许电压绝对最大值，否则有可能导致器件损坏。TTL和CMOS的逻辑电平关系如下图所示： 图1： TTL和CMOS的逻辑电平关系图 图2：低电压逻辑电平标准 3.3V的逻辑电平标准如前面所述有三种，实际的3.3V TTL/CMOS逻辑器件的输入电平参数一般都使用LVTTL或3.3V逻辑电平标准（一般很少使用LVCMOS输入电平），输出电平参数在小电流负载时高低电平可分别接近电源电压和地电平（类似LVCMOS输出电平），在大电流负载时输出电平参数则接近LVTTL电平参数

42、，所以输出电平参数也可归入3.3V逻辑电平，另外，一些公司的手册中将其归纳如LVTTL的输出逻辑电平，也可以。 在下面讨论逻辑电平的互连时，对3.3V TTL/CMOS的逻辑电平，我们就指的是3.3V逻辑电平或LVTTL逻辑电平。 常用的TTL和CMOS逻辑电平分类有：5V TTL、5V CMOS、3.3V TTL/CMOS、3.3V/5V Tol.、和OC/OD门。其中：3.3V/5V Tol.是指输入是3.3V逻辑电平，但可以忍受5V电压的信号输入。3.3V TTL/CMOS逻辑电平表示不能输入5V信号的逻辑电平，否则会出问题。 注意某些5V的CMOS逻辑器件，它也可以工作于3.3V的电压

43、，但它与真正的3.3V器件（是LVTTL逻辑电平）不同，比如其VIH是2.31V（0.73.3V，工作于3.3V）（其实是LVCMOS逻辑输入电平），而不是2.0V，因而与真正的3.3V器件互连时工作不太可靠，使用时要特别注意，在设计时最好不要采用这类工作方式。 值得注意的是有些器件有单独的输入或输出电压管脚，此管脚接3.3V的电压时，器件的输入或输出逻辑电平为3.3V的逻辑电平信号，而当它接5V电压时，输入或输出的逻辑电平为5V的逻辑电平信号，此时应该按该管脚上接的电压的值来确定输入和输出的逻辑电平属于哪种分类。 对于可编程器件（EPLD和FPGA）的互连也要根据器件本身的特点进行处理。以上

44、5种逻辑电平类型之间的驱动关系如下表： 上表中打钩（）的表示逻辑电平直接互连没有问题，打星号（?）的表示要做特别处理。 对于打星号（?）的逻辑电平的互连情况，具体见后面说明。 一般对于高逻辑电平驱动低逻辑电平的情况如简单处理估计可以通过串接101K欧的电阻来实现，具体阻值可以通过试验确定，如为可靠起见，可参考后面推荐的接法。从上表可看出OC/OD输出加上拉电阻可以驱动所有逻辑电平，5V TTL和3.3V /5VTol.可以被所有逻辑电平驱动。所以如果您的可编程逻辑器件有富裕的管脚，优先使用其OC/OD输出加上拉电阻实现逻辑电平转换；其次才用以下专门的逻辑器件转换。对于其他的不能直接互连的逻辑电

45、平，可用下列逻辑器件进行处理。TI的AHCT系列器件为5V TTL输入、5V CMOS输出。TI的LVC/LVT系列器件为TTL/CMOS逻辑电平输入、3.3V TTL（LVTTL）输出，也可以用双轨器件替代。注意：不是所有的LVC/LVT系列器件都能够运行5V TTL/CMOS输入，一般只有带后缀A的和LVCH/LVTH系列的可以，具体可以参考其器件手册。2：5V TTL门作驱动源驱动3.3V TTL/CMOS通过LVC/LVT系列器件（为TTL/CMOS逻辑电平输入，LVTTL逻辑电平输出）进行转换。驱动5V CMOS可以使用上拉5V电阻的方式解决，或者使用AHCT系列器件（为5V TTL

46、输入、5VCMOS输出）进行转换。3：3.3V TTL/CMOS门作驱动源驱动5V CMOS使用AHCT系列器件（为5V TTL输入、5V CMOS输出）进行转换（3.3V TTL电平（LVTTL）与5V TTL电平可以互连）。4：5V CMOS门作驱动源驱动3.3V TTL/CMOS通过LVC/LVT器件（输入是TTL/CMOS逻辑电平，输出是LVTTL逻辑电平）进行转换。5：2.5V CMOS逻辑电平的互连 随着芯片技术的发展，未来使用2.5V电压的芯片和逻辑器件也会越来越多，这里简单谈一下2.5V逻辑电平与其他电平的互连，主要是谈一下2.5V逻辑电平与3.3V逻辑电平的互连。（注意：对于

47、某些芯片，由于采用了优化设计，它的2.5V管脚的逻辑电平可以和3.3V的逻辑电平互连，此时就不需要再进行逻辑电平的转换了。）1)3.3V TTL/CMOS逻辑电平驱动2.5V CMOS逻辑电平2.5V的逻辑器件有LV、LVC、AVC、ALVT、ALVC等系列，其中前面四种系列器件工作在2.5V时可以容忍3.3V的电平信号输入，而ALVC不行，所以可以使用LV、LVC、AVC、ALVT系列器件来进行3.3V TTL/CMOS逻辑电平到2.5V CMOS逻辑电平的转换。2)2.5V CMOS逻辑电平驱动3.3V TTL/CMOS逻辑电平2.5V CMOS逻辑电平的VOH为2.0V，而3.3V TT

48、L/CMOS的逻辑电平的VIH也为2.0V，所以直接互连的话可能会出问题（除非3.3V的芯片本身的VIH参数明确降低了）。此时可以使用双轨器件SN74LVCC3245A来进行2.5V逻辑电平到3.3V逻辑电平的转换，另外，使用OC/OD们加上拉电阻应该也是可以的。逻辑电平兼容与逻辑电平转换BBS 上询问逻辑电平转换的人很多，几乎数日就冒一次头。而且电平转换的方法也不少，各有特点。我先做个简单实用的总结，省得老是重复讨论同样的问题。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。

49、(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 (3.3V5V) 凡是输入与 5V TTL 电平兼容的 5V CMOS 器件都可以用作 3.3V5V 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 (5V3.3V, 3.3V1.8V, .) 凡是允许输入电平超过电源的逻辑器件

50、，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05.5V，如果采用 3.3V 供电，就可以实现 5V3.3V 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

51、.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)

52、 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 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

53、。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)。(6) 成本&供货 前面说的164245就存在这个问题

54、。五要素冒出第6个，因为这是非技术因素，而且太根本了，以至于可以忽略。3V与5V混合系统中逻辑器接口问题1 引言 近年来，随着便携式数字电子产品笔记本计算机、数字式移动电话、手持式测试仪表等的迅速发展，要求使用体积小、功耗低、电池耗电小的器件，数字系统的工作电压已经从5V降至3V甚至更低(例如2.5V和1.8V标准的引进)。但是目前仍有许多5V电源的逻辑器件和数字器件可用，因此在许多设计中3V(含3.3V)逻辑系统和5V逻辑系统共存，而且不同的电源电压在同一电路板中混用。随着更低电压标准的引进，不同电源电压逻辑器件问的接口问题会在很长一段时间内存在。本文讨论的是使用TTL和CMOS的3V和5V

55、系统中逻辑器件间接口的基本概念和电路实例。理解了这些概念可避免不同电压的逻辑器件接口时出现的问题和保证所设计的电路数据传输的可靠性。2 逻辑电平不同，接口时出现的问题 在混合电压系统中，不同电源电压的逻辑器件相互接口时会存在以下3个主要问题：(1) 加到输入和输出引脚上允许的最大电压的限制问题；(2) 两个电源间电流的互串问题；(3) 必须满足的输入转换门限电平问题。器件对加到输入脚或输出脚的电压通常是有限制的。这些引脚有二极管或分离元件接到Vcc。如果接入的电压过高，则电流将会通过二极管或分离元件流向电源。例如3V器件的输入端接上5V信号，则5V电源将会向3V电源充电。持续的电流将会损坏二极管和电路元件。 在等待或掉电方式时，3V电源降落到0V，大电流将流通到地，这使总线上的高电压被下拉到地，这些情况将引起数据丢失和元件损坏。必须注意的是：不管是在3V的工作状态或是