爱华网2009-03-17 19:32
一．TTL
TTL 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
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74HC
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
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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（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。
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
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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（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2.5V 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。
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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：
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。
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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。
