TTL和CMOS电平

一．TTL
TTL集成电路的主要型式为晶体管－晶体管逻辑门（transistor-transistorlogicgate），TTL大部分都采用5V电源。
1.输出高电平Uoh和输出低电平Uol
Uoh≥2.4V,Uol≤0.4V
2.输入高电平和输入低电平
Uih≥2.0V，Uil≤0.8V
二．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，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
Uoh≈VCC，Uol≈GND
2.输入高电平Uoh和输入低电平Uol
Uih≥0.7VCC,Uil≤0.2VCC（VCC为电源电压，GND为地）
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2.4V～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。
如果电路中出现3.3V的COMS电路去驱动5VCMOS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74HC换成74HCT（74系列的输入输出在下面有介绍）的芯片，因为3.3VCMOS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。

TTL和CMOS电平
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（ttl5v<＝＝>cmos3.3v），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）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
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3～15V，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0～5V，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：
1：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。
2：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。
3：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。
4：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。
5：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<Vil，而如果输入电平在阈值上下，也就是Vil～Vih这个区域，电路的输出会处于不稳定状态。
对于一般的逻辑电平，以上参数的关系如下：
Voh>Vih>Vt>Vil>Vol
6：Ioh：逻辑门输出为高电平时的负载电流（为拉电流）。
7：Iol：逻辑门输出为低电平时的负载电流（为灌电流）。
8：Iih：逻辑门输入为高电平时的电流（为灌电流）。
9：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<（VCC－Voh）/（n*Ioh＋m*Iih）
（2）：RL>（VCC－Vol）/（Iol＋m*Iil）
其中n：线与的开路门数；m：被驱动的输入端数。
10：常用的逻辑电平
·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（5VTTL和5VCMOS）、3.3V系列，2.5V系列和1.8V系列。
·5VTTL和5VCMOS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2.5V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。