分析TTL和COMS電平匹配以及電平轉(zhuǎn)換的方法

TTL和COMS電平匹配以及電平轉(zhuǎn)換的方法

一.TTL

TTL集成電路的主要型式為晶體管-晶體管邏輯門(transistor-transistorlogicgate)，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

二.CMOS

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開路，接到地或者電源上。CMOS電路的優(yōu)點是噪聲容限較寬，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，因為CMOS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行判斷。如果電路中出現(xiàn)3.3V的COMS電路去驅(qū)動5VCMOS電路的情況，如3.3V單片機去驅(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，因為3.3VCMOS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)實際情況調(diào)整電阻的大小，以保證信號的上升沿時間。

三.74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

74LSTTL電平TTL電平

74HCCOMS電平COMS電平

74HCTTTL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<0.4V。在室溫下，一般輸出高電平是3.5V，輸出低電平是0.2V。最小輸入高電平和低電平：輸入高電平>=2.0V，輸入低電平<=0.8V，噪聲容限是0.4V。

2、CMOS電平：

1邏輯電平電壓接近于電源電壓，0邏輯電平接近于0V。而且具有很寬的噪聲容限。

3、電平轉(zhuǎn)換電路：

因為TTL和COMS的高低電平的值不一樣(ttl5v<==>cmos3.3v)，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。

4、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)大電壓和大電流負載，所以又叫做驅(qū)動門電路。

5、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�，F(xiàn)象。

3)COMS電路的鎖定效應：

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。這種效應就是鎖定效應。當產(chǎn)生鎖定效應時，COMS的內(nèi)部電流能達到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去。

4)當系統(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載的電源;關(guān)閉時，先關(guān)閉輸入信號和負載的電源，再關(guān)閉COMS電路的電源。

6、COMS電路的使用注意事項

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。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)當接長信號傳輸線時，在COMS電路端接匹配電阻。

4)當輸入端接大電容時，應該在輸入端和電容間接保護電阻。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門電路中輸入端負載特性(輸入端帶電阻特殊情況的處理)：

1)懸空時相當于輸入端接高電平。因為這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。因為由TTL門電路的輸入端負載特性可知，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?那是因為當三極管截止的時候，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。因為TTL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

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CMOS器件不用的輸入端必須連到高電平或低電平,這是因為CMOS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,很容易感應到干擾信號,影響芯片的邏輯運行,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，當輸入電平高于Vih時，則認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，當輸入電平低于Vil時，則認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載電流(為拉電流)。

7：Iol：邏輯門輸出為低電平時的負載電流(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應滿足下面條件：

(1)：RL<(VCC-Voh)/(n*Ioh+m*Iih)

(2)：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(5VTTL和5VCMOS)、3.3V系列，2.5V系列和1.8V系列。

·5VTTL和5VCMOS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是串口的接口標準，RS-422/485是差分輸入輸出，RS-232是單端輸入輸出。

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OC門，又稱集電極開路(漏極開路)與非門門電路，OpenCollector(OpenDrain)。為什么引入OC門?

實際使用中,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線上，將這些與非門上的數(shù)據(jù)(狀態(tài)電平)用同一條導線輸送出去。因此，需要一種新的與非門電路--OC門來實現(xiàn)“線與邏輯”。

OC門主要用于3個方面：

1、實現(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當足夠大;從確保足夠的驅(qū)動電流考慮應當足夠小。

2、線與邏輯，即兩個輸出端(包括兩個以上)直接互連就可以實現(xiàn)“AND”的邏輯功能。在總線傳輸?shù)葘嶋H應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)來實現(xiàn)。用OC門實現(xiàn)線與，應同時在輸出端口應加一個上拉電阻。

3、三態(tài)門(ST門)主要用在應用于多個門輸出享數(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。

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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：

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行拉低操作的場合，如果本電路不想拉低，就輸出高電平，因為OPEN-DRAIN上面的管子被拿掉，高電平是靠外接的上拉電阻實現(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，就是帶來上升沿的延時。因為上升沿是通過外接上拉無源電阻對負載充電，所以當電阻選擇小時延時就小，但功耗大;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。

電平轉(zhuǎn)換方法：

(1)晶體管+上拉電阻法

就是一個雙極型三極管或MOSFET，C/D極接一個上拉電阻到正電源，輸入電平很靈活，輸出電平大致就是正電源電平。

(2)OC/OD器件+上拉電阻法

跟1)類似。適用于器件輸出剛好為OC/OD的場合。

(3)74xHCT系列芯片升壓(3.3V→5V)

凡是輸入與5VTTL電平兼容的5VCMOS器件都可以用作3.3V→5V電平轉(zhuǎn)換。

——這是由于3.3VCMOS的電平剛好和5VTTL電平兼容(巧合)，而CMOS的輸出電平總是接近電源電平的。

廉價的選擇如74xHCT(HCT/AHCT/VHCT/AHCT1G/VHCT1G/...)系列(那個字母T就表示TTL兼容)。

(4)超限輸入降壓法(5V→3.3V,3.3V→1.8V,...)

凡是允許輸入電平超過電源的邏輯器件，都可以用作降低電平。

這里的"超限"是指超過電源，許多較古老的器件都不允許輸入電壓超過電源，但越來越多的新器件取消了這個限制(改變了輸入級保護電路)。

例如，74AHC/VHC系列芯片，其datasheets明確注明"輸入電壓范圍為0~5.5V"，如果采用3.3V供電，就可以實現(xiàn)5V→3.3V電平轉(zhuǎn)換。

(5)專用電平轉(zhuǎn)換芯片

最著名的就是164245，不僅可以用作升壓/降壓，而且允許兩邊電源不同步。這是最通用的電平轉(zhuǎn)換方案，但是也是很昂貴的(俺前不久買還是￥45/片，雖是零售，也貴的嚇人)，因此若非必要，最好用前兩個方案。

(6)電阻分壓法

最簡單的降低電平的方法。5V電平，經(jīng)1.6k+3.3k電阻分壓，就是3.3V。

(7)限流電阻法

如果嫌上面的兩個電阻太多，有時還可以只串聯(lián)一個限流電阻。某些芯片雖然原則上不允許輸入電平超過電源，但只要串聯(lián)一個限流電阻，保證輸入保護電流不超過極限(如74HC系列為20mA)，仍然是安全的。

(8)無為而無不為法

只要掌握了電平兼容的規(guī)律。某些場合，根本就不需要特別的轉(zhuǎn)換。例如，電路中用到了某種5V邏輯器件，其輸入是3.3V電平，只要在選擇器件時選擇輸入為TTL兼容的，就不需要任何轉(zhuǎn)換，這相當于隱含適用了方法3).

輸出高電平>2.4V,輸出低電平<0.4V。在室溫下，一般輸出高電平是3.5V，輸出低電平是0.2V。最小輸入高電平和低電平：輸入高電平>=2.0V，輸入低電平<=0.8V，噪聲容限是0.4V。