逻辑门电路使用中的几个实际问题精.docx

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逻辑门电路使用中的几个实际问题精

逻辑门电路使用中的几个实际问题

　　以上讨论了几种逻辑门电路特别是重点地讨论了TTL和CMOS两种电路。

在具体的应用中可以根据要求来选用何种器件。

器件的主要技术参数有传输延迟时间、功耗、噪声容限，带负载能力等，据此可以正确地选用一种器件或两种器件混用。

下面对几个实际问题，如不同门电路之间的接口技术，门电路与负载之间的匹配等进行讨论。

一、各种门电路之间的接口问题

　　在数字电路或系统的设计中，往往由于工作速度或者功耗指标的要求，需要采用多种逻辑器件混合使用，例如，TTL和CMOS两种器件都要使用。

由前面几节的讨论已知，每种器件的电压和电流参数各不相同，因而需要采用接口电路，一般需要考虑下面三个条件：

　　1.驱动器件必须能对负载器件提供灌电流最大值。

　　2.驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流。

　　3.驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围

，包括高。

低电压值。

　　其中条件１和２，属于门电路的扇出数问题，已在第四节作过详细的分析。

条件３属于电压兼容性的问题。

其余如噪声容限、输入和输出电容以及开关速度等参数在某些设计中也必须予以考虑。

　　下面分别就CMOS门驱动TTL门或者相反的两种情况的接口问题进行分析。

1.CMOS门驱动TTL门

　　在这种情况下，只要两者的电压参数兼容，不需另加接口电路，仅按电流大小计算出扇出数即可。

　　下图表示CMOS门驱动TTL门的简单电路。

当CMOS门的输出为高电平时，它为TTL负载提供拉电流，反之则提供灌电流。

例2.9.1——74HC00与非门电路用来驱动一个基本的TTL反相器和六个74LS门电路。

试验算此时的CMOS门电路是否过载？

解：

（1）查相关手册得接口参数如下：

一个基本的TTL门电路，IIL＝1.6mA，六个74LS门的输入电流IIL＝6×0.4mA＝2.4mA。

总的输入电流IIL（total＝1.6mA＋2.4mA＝4mA。

（2）因74HC00门电路的IOL＝IIL＝4mA，所驱动的TTL门电路未过载。

2.TTL门驱动CMOS门

　　此时TTL为驱动器件，CMOS为负载器件。

由手册可知，当TTL输入为低电平时，它的输出电压参数与CMOSHC的输入电压参数是不兼容的。

例如，LSTTL的VOH（min为2.7V，而HCCMOS的VIH（min为3.5V。

为了克服这一矛盾，常采用如上图所示的接口措施。

由图可知，用上拉电阻Rp接到VDD可将TTL的输出高电平电压升到约5V，上拉电阻的值取决于负载器件的数目以及TTL和CMOS的电流参数。

　　当TTL驱动CMOS——HCT时，由于电压参数兼容，不需另加接口电路。

基于这一情况，在数字电路设计中，也常用CMOS——HCT当作接口器件，以免除上拉电阻。

一、Q：

由TTL和CMOS个组成的相似门电路，（如与非门，输入端皆由一条高电平和一条51欧电阻接地，输出结果有何不同？

为什么？

）

A：

功耗

TTL门电路的空载功耗与CMOS门的静态功耗相比，是较大的，约为数十毫瓦（mw）而后者仅约为几十纳（10-9瓦；在输出电位发生跳变时（由低到高或由高到低）,TTL和CMOS门电路都会产生数值较大的尖峰电流，引起较大的动态功耗。

速度

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。

二、Q：

TTL元件和CMOS元件的区别是什么？

A：

1）电平的上限和下限定义不一样，CMOS具有更大的抗噪区域。

同是5伏供电的话，ttl一般是1.7V和3.5V的样子，CMOS一般是2.2V,2.9V的样子，不准确，仅供参考。

2）电流驱动能力不一样，ttl一般提供25毫安的驱动能力，而CMOS一般在10毫安左右。

3）需要的电流输入大小也不一样，一般ttl需要2.5毫安左右，CMOS几乎不需要电流输入。

4）很多器件都是兼容ttl和CMOS的，datasheet会有说明。

如果不考虑速度和性能，一般器件可以互换。

但是需要注意有时候负载效应可能引起电路工作不正常，因为有些ttl电路需要下一级的输入阻抗作为负载才能正常工作。

三、Q：

TTL和CMOS有什么区别？

A：

谈谈TTL和CMOS电平（转贴

TTL——Transistor-TransistorLogic

HTTL——High-speedTTL

LTTL——Low-powerTTL

STTL——SchottkyTTL

LSTTL——Low-powerSchottkyTTL

ASTTL——AdvancedSchottkyTTL

ALSTTL——AdvancedLow-powerSchottkyTTL

FAST（F——FairchildAdvancedschottkyTTL

CMOS——Complementarymetal-oxide-semiconductor

HC/HCT——High-speedCMOSLogic（HCT与TTL电平兼容

AC/ACT——AdvancedCMOSLogic（ACT与TTL电平兼容（亦称ACL）

AHC/AHCT——AdvancedHigh-speedCMOSLogic（AHCT与TTL电平兼容

FCT——FACT扩展系列，与TTL电平兼容

FACT——FairchildAdvancedCMOSTechnology

1.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。

哈哈

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CMOS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。

CMOS电路的速度慢，传输延迟时间长（25-50ns，但功耗低。

CMOS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）CMOS电路的锁定效应：

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。

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CMOS电路的电源，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。

6.CMOS电路的使用注意事项

1）CMOS电路时电压控制器件，它的输入阻抗很大，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CMOS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）CMOS的输入电流超过1mA，就有可能烧坏CMOS。

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。

CMOS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？

那是因为当三机管截止的时候，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。

四、TTL与CMOS

TTL电路：

晶体管逻辑电路。

特点：

速度快，扇出大，成本低。

CMOS电路：

由PMOS管和NMOS管构成的互补MOS管构成的门电路。

特点：

功耗低，抗干扰能力强，开关速度快。

（A）TTL到CMOS的连接。

用TTL电路去驱动CMOS电路时，由于CMOS电路是电压驱动器件，所需电流小，因此电流驱动能力不会有问题，主要是电压驱动能力问题，TTL电路输出高电平的最小值为2．4V，而CMOS电路的输入高电平一般高于3．5V，这就使二者的逻辑电平不能兼容。

为此在TTL的输出端与电源之间接一个电阻R（上拉电阻）可将TTL的电平提高到3．5V以上。

（B）CMOS到TTL的连接。

CMOS电路输出逻辑电平与TTL电路的输入电平可以兼容，但CMOS电路的驱动电流较小，不能够直接驱动TTL电路。

为此可采用CMOS／TTL专用接口电路，如CMOS缓冲器CC4049等，经缓冲器之后的高电平输出电流能满足TTL电路的要求，低电平输出电流可达4mA。

实现CMOS电路与TTL电路的连接。

需说明的时，CMOS与TTL电路的接口电路形式多种多样，实用中应根据具体情况进行选择。

实验2.10TTL电路与CMOS电路的互连

一、实验目的

1.熟悉TTL和CMOS的逻辑电平。

2.掌握两种集成电路之间的互连方法。

二、实验原理

1.互连原则

常见TTL和CMOS门电路的输入、输出特性参数如表2.10.1所示，不管是TTL驱动CMOS，还是CMOS驱动TTL，必须满足表2.10.2所要求的条件。

2．TTL驱动CMOS

设TTL电路的电源电压为ＶCC，CMOS电路的工作电压为ＶDD。

下面分两种情况讨论。

（1ＶCC=ＶDD=5V的情况

TTL电路的输出电流可以驱动多个CMOS门，TTL的ＶOL=0.4V，而CMOS的ＶIL=0.1V，故低电平满足要求；而TTL的输出高电平ＶOH为2.4V，CMOS要求的输入高电平ＶIH为3.5V，不满足要求。

所以需要在TTL的输出端接一个上拉电阻R，如图2.10.1所示，R一般选3.3kΩ~4.7kΩ。

另外一种选择是利用54/74HCT系列集成电路，它的输入为TTL电平，输出为CMOS逻辑电平。

而且它的功耗与CMOS电路相当，而驱动能力又与TTL门电路相当。

（2ＶDD>>ＶCC的情况

例如CMOS的电源电压ＶDD=10V，TTL的ＶCC=5V就是这种情况。

这时，就不能采用上拉电阻的方法解决它们之间的连接。

通常TTL电路采用集电极开路门（OC，就可以用

TTL驱动CMOS电路，一般OC门输出三极管的耐压可达30V以上，图2.10.2是这种连接的示意图。

另外的一种解决方案是使用带

电平偏移的CMOS集成门电路实现电平转换。

例如CC40109就是这种类型的CMOS门电路，它有两个电源输入端ＶCC和ＶDD。

3.CMOS驱动TTL

（1CC4000系列驱动TTL电路

当ＶCC=ＶDD=5V时，CC4000系列的输出逻辑电平满足要求，但输出电流只能驱动一个74LSTTL门，当驱动74TTL（T1000时，通常需要将几个CMOS门并联使用，或者是在CMOS电路的输出端增加一级CMOS驱动器。

例如CC4010的ＩOL为3.2mA，而CC40107的负载能力ＩOL可达16mA。

也可以在CMOS门后面接三极管，驱动TTL门。

该方法适合于ＶCC=ＶDD，或ＶDD>>ＶCC的情况。

（274HC系列CMOS门驱动TTL

在ＶCC=ＶDD=5V这种情况下，CMOS门电路可以直接驱动TTL门电路。

但注意它的输出电流能驱动10个74LSTTL门或2个74TTL门。

需要指出的是，随着工艺的发展，某些公司生产的74HC类CMOS电路的驱动能力已经与74LSTTL相当。

要进一步增加74HC类CMOS门的驱动能力，或者解决ＶDD>>ＶCC情况下的驱动问题，最好在CMOS于TTL门之间接一个三极管。

三、实验内容及步骤

1．TTL驱动CMOS门电路

按照图2.10.3连接电路，74LS01是四2输入与非门（输出级为OC门，它的引脚排列如图2.10.4所示。

CD4069是CMOS6非门，它的管脚排列与74LS04相同。

注意CD4069接入电路后，剩余的输入端需要保护。

例如只使用1和2脚之间的反向器，则需将3、5、9、11、13引脚连到一起，再接地（或逻辑低电平。

接通电源，改变输入逻辑电平，用万用表测量C、D、E点对地电压，将测量结果填入表2.10.3。

2．CMOS驱动TTL

按图2.10.5连接电路，在输入端加上100kHz的脉冲信号，用示波器观察Ｖ1，Ｖ2、Ｖ3各点的波形。

3．设计与验证

如图2.10.6，在CMOS反相器CD4069后接一个三极管，虚线部分先不要和三极管的输出连接，在输入端加上100kHz的脉冲信号，用示波器观察Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3和Ｖ4各点的波形。

要求能带10个TTL负载门（即扇出系数为10。

虚线部分和三极管的输出连接，用电阻R和电位器模拟10个TTL负载，三极管T的型号为3DK2，它的β>20。

加速电容C=100pF。

设计电阻R1、R2，R3的数值，并通过实验验证是否满足要求。

四、实验仪器与器件

1.数字电路实验箱1个

2.双踪示波器1台

3.万用表1只

4.TTL与非门74LS001片

CMOS与非门CD40691片

集电极开路与非门74LS011片

5.三极管3DK21个

6.电阻、电容若干

五、实验报告要求

1.画出实验的逻辑电路。

2.整理实验表格。

3.总结TTL与CMOS互连的方法。