TTL和CMOS门电路

TTL和CMOS门电路
摘要：门电路是构成各种复杂数字电路的基本逻辑单元，TTL和CMOS门电路作为目前应用最广的两种门电路，掌握TTL和CMOS 门电路的逻辑功能和电气特性，对于正确使用数字集成电路是十分必要的。

本文对于TTL和CMOS门电路的初学者有一定的参考作用。

关键词：TTL门电路；CMOS门电路
1.引言
随着数字集成电路的问世和大规模集成电路工艺水平的不断提高，为数字电路的应用开拓了无限广阔的天地。

从制造工艺上可以将目前使用的数字集成电路分为双极型、单极型和混合型三种。

在数字集成电路发展的历史过程中，首先得到推广应用的是双极型的TTL 电路。

由于其体积小、重量轻、可靠性好，至今仍是最流行的集成电路系列之一。

CMOS集成电路出现于20世纪60年代后期，随着其制造工艺的不断进步，CMOS电路逐渐成为当前集成电路的主流产品。

本文将简要总结TTL和CMOS这两种目前使用最多的数字集成电路。

2.TTL门电路
TTL门电路是以双极型三极管作为开关器件的集成电路。

在TTL 门电路的定型产品中有反相器（非门）、与门、或门、与非门、或非门、与或非门和异或门几种常见的类型。

尽管它们逻辑功能各异，但输入端、输出端的电路结构形式基本相同。

2.1 反相器
2.1.1 反相器的电路结构与逻辑关系
反相器是TTL集成门电路中电路结构最简单的一种。

图1给出了74系列TTL反相器的典型电路。

图1 TTL反相器典型电路
图1所示电路由三部分组成：T1、R1和D1组成的输入级，T2、R2和R3组成的倒向级，T4、T5和R4组成的输出级。

反向器输入和输出之间是反向关系，即Y=A'。

2.1.2 反相器的外部特性及参数
为了正确地解决门电路与门电路、门电路与其他电路的连接问题，必须了解门电路的输入特性、输出特性、负载特性、传输特性和噪声容限等问题。

2.1.2.1 电压传输特性
如果把图1所示反相器电路输出电压随输入电压的变化用曲线描绘出来，就得到了图2所示的电压传输特性。

图2 TTL反相器的电压传输特性
2.1.2.2 输入端噪声容限
输入为高电平和低电平的噪声容限为
V NH = V OH(min) – V IH(min)
V NL = V IL(max) – V OL(max)
2.1.2.3 输入特性
在图1给出的TTL反相器电路中，如果仅仅考虑输入信号是高电平和低电平而不是某一个中间值的情况，则可忽略T2和T5 的b-c 结反向电流以及R3 对T5 积极回路的影响，输入端的等效电路如图3所示。

图3 TTL反相器的输入端等效电路
根据图3的等效电路可以画出输入电流随输入电压变化的曲线
—输入特性曲线，如图4所示。

图4 TTL 反相器的输入特性
2.1.2.4 输出特性 (1)高电平输出特性
当v 0= V OH 时，图1中的T 4 和D 2 导通，T 5 截止，输出端的等效电路如图5所示。

图5 TTL
图6给出了74系列门电路在输出为高电平时的输出特性曲线。

图6 TTL 反相器高电平输出特性
(2)低电平输出特性
-15
-10
-5
L /A
当输出为低电平时，门电路输出级的T 5 管饱和导通而T 4 管截止，输出端的等效电路如图7所示。

图7 TTL 反相器低电平输出等效电路
图8是低电平输出特性曲线。

图8 TTL 反相器低电平输出特性
2.1.2.5 传输延迟时间
在TTL 电路中，由于二级管和三极管从导通变为截止或从截止变为导通都需要一定的时间，而且还有二极管、三极管以及电阻、连接线等的寄生电容存在，所以把理想的矩形电压信号加到TTL 反相器的输入端时，输出电压的波形不仅要比输入信号滞后，而且波的上升沿和下降沿也将变坏，如图9所示。

0 5 10 15
V OL /L /A
R L
V CC v O
图9 TTL反相器的动态电压波形
我们将输出电压波形滞后输入电压波形的时间称为传输延迟时间，并且将输出电压由低电平变为高电平的传输延迟时间记为t PLH，将输出电压由高电平跳变为低电平时的传输延迟时间记为t PHL 。

t PLH 和t PHL 的定义方法如图9所示。

2.2 与非门
图10是74系列与非门的典型电路。

图10 TTL与非门电路
输入与输出的关系：Y=(AB)'
2.3或非门
或非门的典型电路如图11所示。

图11 TTL或非门电路输入与输出的关系：Y=(A+B)'
2.4与或非门
与或非门的典型电路如图12所示。

图12 TTL与或非门电路
输入与输出的关系：Y=(AB+CD)'
2.5 集电极开路输出的门电路(OC门)
OC是集电极开路输出结构的门电路。

图13给出了OC门的电路结构和图形符号。

图13 集电极开路输出TTL与非门的电路和图形符号
输入与输出的关系：Y=(AB)'
OC门实现的线与:
输入与输出的关系：Y=(AB+CD)'
2.6 三态输出门电路(TS门)
三态输出门是在普通门电路的基础上附加控制电路而构成的。

图14是TTL三态输出门的电路结构及图形符号。

D2
图14 三态输出门的电路结构及图形符号
控制端EN为高电平时(EN=1)，电路的状态与普通的与非门没
有区别，Y=(AB)'。

而当控制端EN为低电平时(EN=0)，P点为低电平，输出端成高阻状态。

3.CMOS门电路
CMOS门电路是以金属—氧化物—半导体场效应晶体管作为开关器件的集成电路。

与TTL门电路相仿，在CMOS门电路的定型产品中有反相器（非门）、与门、或门、与非门、或非门、与或非门和异或门几种常见的类型。

尽管它们逻辑功能各异，但输入端、输出端的电路结构形式基本相同。

3.1 反相器
3.1.1 反相器的电路结构与逻辑关系
CMOS反相器的电路结构是CMOS电路的基本结构。

CMOS 反相器的基本电路结构形式为图15所示的有源负载反相器，其中T1是P沟道增强型MOS管，T2是N沟道增强型MOS管。

图15 CMOS反相器电路图
反向器输入和输出之间是反向关系，即Y=A'。

3.1.2 反相器的外部特性及参数
为了正确地解决门电路与门电路、门电路与其他电路的连接问题，必须了解门电路的输入特性、输出特性、负载特性、传输特性和噪声容限等问题。

3.1.2.1电压传输特性和电流传输特性
图16所示为CMOS反相器的电压传输特性。

图16 CMOS反相器的电压传输特性
图17所示为CMOS反相器的电压传输特性。

图17 CMOS反相器的电流传输特性
3.1.2.2 输入特性
图18所示为74HC和4000系列电路的输入特性。

图18 CMOS反相器的输入特性
(a)74HC系列电路的输入特性(b)4000系列电路的输入特性
3.1.2.3 输出特性
(1)低电平输出特性
当输出为低电平时，即v0=V OL时，反相器的P沟道管截止、N 沟道管导通，工作状态如图19所示，低电平输入特性如图20所示。

图19 CMOS反相器的低电平输出状态
图20 CMOS反相器的低电平输出特性
(2)高电平输出特性
当输出为高电平时，即v0=V OH时，反相器的N沟道管截止、P 沟道管导通，工作状态如图21所示，低电平输入特性如图22所示。

图21 CMOS反相器的高电平输出状态
图22 CMOS反相器的高电平输出特性
3.1.2.4 传输延迟时间
与TTL门电路一样，CMOS门电路也存在传输延迟时间。

我们将输出电压变化落后于输入电压变化的时间称为传输延迟时间，并且将输出电压由低电平变为高电平的传输延迟时间记为t PLH，将输出电压由高电平跳变为低电平时的传输延迟时间记为t PHL 。

在CMOS电路中，t PLH 和t PHL 是以输入和输出波形对应边上等于最大幅度50%的两点间时间间隔来定义的，如图23所示。

图23 CMOS反相器传输延迟时间的定义3.2 与非门
图24是CMOS与非门的基本结构形式。

图24 CMOS与非门
输入与输出的关系：Y=(AB)'
3.3 或非门
或非门的典型电路如图25所示。

图25 CMOS或非门
输入与输出的关系：Y=(A+B)'
3.4 漏极开路输出门电路(OD门)
OD门是漏极开路输出结构的门电路。

图26给出了OD门的电路结构和图形符号。

图26 OD输出的与非门输入与输出的关系：Y=(AB)'
OD门实现的线与:
输入与输出的关系：Y=(AB+CD)'
3.5 三态输出的CMOS门电路
三态输出反相器的电路结构如图27所示。

图27三态输出门的电路结构及图形符号
当EN'=0时，若A=1，则G4 、G5 的输出同为高电平，T1 截止、T2 导通，Y=0；若A=0，则G4 、G5的输出同为低电平，T1 导通、T2 截止，Y=1。

因此，Y=A' ，反相器处于正常工作状态。

而当EN'=1时，不管A的状态如何，G4 输出高电平而G5输出低电平，T1 和T2 同时截止，输出呈现高阻态。

3.6 CMOS门电路的正确使用
3.6.1 输入电路的静电保护
为防止由静电电压造成的损坏，应注意以下几点：
(1)在存储和运输CMOS器件时不要使用易产生静电高压的化工材料和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料。

(2)组装、调试时，应使电烙铁和其他工具、仪表、工作台台面等良好接触。

操作人员的服装和手套等应选用无静电的原料制作。

(3)不用的输入端不应悬空。

3.6.2 输入电路的过流保护
由于输入保护电路中的钳位二极管电容流量有限，一般为1mA，
所以在可能出现较大电流的场合必须采取以下保护措施：
(1)输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源之间串进保护电阻，保证输入保护电路中的二极管导通时电流不超过1mA。

(2)接入端有大电容时，亦应在输入端与电容之间接入保护电阻。

(3)输入端接长线时，应在门电路的输入端接入保护电阻。

3.6.3CMOS电路锁定效应的防护
CMOS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，CMOS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。

可以采取以下防护措施
(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CMOS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CMOS电路的电源。

4.TTL和CMOS门电路比较
4.1 TTL门电路的各种系列
(1)74系列：标准系列，其典型电路与非门的平均传输时间t pd
＝10ns，平均功耗P＝10mW。

(2)74H系列：高速系列，其典型电路与非门的平均传输时间t pd ＝6ns，平均功耗P＝22.5mW。

(3)74S系列：肖特基系列，其典型电路与非门的平均传输时间t pd＝4ns，平均功耗P＝20mW。

(4)74LS系列：低功耗肖特基系列，t pd＝10ns，平均功耗P＝2mW。

74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。

(5)74AS系列：是为进一步缩短传输延迟而设计的改进系列。

工作速度快t pd＝1.5ns，缺点是功耗较大，平均功耗P＝20mW。

(6)74ALS是为获得更小的延迟功耗积而设计的改进系列。

它的延迟功耗积是TTL电路中最小的。

t pd＝4ns，P＝1mW。

4.2 CMOS门电路的各种系列
(1)4000系列：最早的集成系列，传输延迟时间长，带负载能力弱。

(2)HC/HCT系列：高速系列，传输延迟时间10ns左右，带负载能力4mA左右。

HC与HCT的区别:
HC系列工作电压：2-6V，输入、输出电平与TTL系列不兼容，不能与TTL电路混合使用。

HCT系列工作电压：5V，输入、输出电平与TTL完全兼容，可与TTL电路混合使用。

(3)AHC/AHCT系列：改进的高速CMOS系列，工作速度比HC/HCT系列提高了一倍，带负载能力也提高了近一倍。

能与HC/HCT系列兼容。

目前最受欢迎的系列。

4.3 TTL和CMOS门电路的区别
(1)CMOS是场效应管构成(单极性电路)，TTL为双极晶体管构成(双极型电路)。

(2) COMS的逻辑电平范围比较大（5～15V），TTL只能在5V 下工作
(3) CMOS的高低电平之间相差比较大、抗干扰性强，TTL则相差小，抗干扰能力差。

(4) CMOS功耗很小，TTL功耗较大（1～5mA/门）。

(5) CMOS的工作频率较TTL略低，但是高速CMOS速度与TTL 差不多相当。

(6) CMOS的噪声容限比TTL噪声容限大。

(7) 通常以为TTL门的速度高于“CMOS门电路。

影响TTL门电路工作速度的主要因素是电路内部管子的开关特性、电路结构及内部的各电阻阻数值。

电阻数值越大，工作速度越低。

管子的开关时间越长，门的工作速度越低。

门的速度主要体现在输出波形相对于输入波形上有“传输延时”tpd。

将tpd与空载功耗P的乘积称为“速度-功耗积”，做为器件性能的一个重要指标，其值越小，表明器件的性能越好（一般约为几十皮（10-12）焦耳）。

与TTL门电路的情况不同，影响CMOS电路工作速度的主要因素在于电路的外部，即负载
电容CL。

CL是主要影响器件工作速度的原因。

由CL所决定的影响CMOS门的传输延时约为几十纳秒。

(8) TTL电路是电流控制器件，而CMOS电路是电压控制器件。

4.4 TTL与CMOS器件之间的接口问题
由于TTL和CMOS电路的高低电平和输入输出电流参数各不相同，因而在需要TTL和CMOS两种器件混合使用时，就有一个接口问题。

两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，既要满足下列条件：驱动门的U OH(min)≥负载门的U IH(min)
驱动门的U OL(max)≥负载门的U IL(max)
驱动门的I OH(max)≥负载门的I IH(总)
驱动门的I OL(max)≥负载门的I IL(总)
4.4.1 TTL门驱动CMOS门
由于TTL门的I OH(max)和I OL(max) 远大于CMOS门的I IH 和I IL ，所以TTL门驱动CMOS门时，主要考虑TTL门的输出电平是否满足CMOS输入电平的要求。

(1)TTL门驱动4000系列和74HC系列
当都采用5V电源时，TTL的U OH(min) 为2.4V或2.7V，而CMOS4000系列和74HC系列电路的U IH(min) 为3.5V，显然不满足要求。

这时可在TTL电路的输出端和电源之间接一上拉电阻R P ,如图28(a)所示。

R P 的阻值取决于负载器件的数目及TTL和CMOS器件
的电流参数，一般在几百至几千欧之间。

如果TTL和CMOS器件采用的电源电压不同，则应使用OC门，同时使用上拉电阻R P ，如图28(b)所示。

图28 TTL驱动CMOS门电路
(2)TTL门驱动74HCT系列
74HCT系列与TTL器件电压兼容。

它们输入电压参数为U IH(min) =2.0V，而TTL的输出电压参数为U OH(min) 为2.4V或2.7V，因此两者可以直接相接，不需外加其他器件。

4.4.2 CMOS门驱动TTL门
当采用5V电源时，CMOS门的U OH(min) 大于TTL门的U IH(min) ，CMOS的U OL(max) 小于TTL门的U IL(max) ，两者电压参数相容。

但是CMOS门的I OH 、I OL 参数较小，所以，这时主要考虑CMOS门的输出电流是否满足TTL输入电流的要求。

5．结语
本文对TTL和CMOS门电路进行了简单总结，希望读者在实践中能对其有进一步的认识。

参考文献：
[1]阎石.《数字电子技术基础》.高等教育出版社,2006
[2]张佳薇.《数字电子技术基础》.哈尔滨工程大学出版社,2009
[3]范爱平，周常森.《数字电子技术基础》.清华大学出版社,2008。