CMOS与TTL(下):TTL、CMOS

CMOS与TTL(下):TTL、CMOS如果只看一个芯片的外观,是无法区分TTL和CMOS的。因为它们是按照芯片的制作工艺来分类的。 CMOS内部集成的是MOS管,而TTL内部集成的是三极管。最开始的是RTL Resistor–transistor logic:电阻三极管逻辑。 RTL速度慢且不稳定,又过了几年,德州仪…

如果只看一个芯片的外观,是无法区分TTL和CMOS的。因为它们是按照芯片的制作工艺来分类的。
CMOS内部集成的是MOS管,而TTL内部集成的是三极管。

TTL

晶体管-晶体管逻辑(英语:Transistor-Transistor Logic,缩写为TTL)

最开始的是RTL
Resistor–transistor logic:电阻三极管逻辑。
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RTL速度慢且不稳定,又过了几年,德州仪器的TTL逻辑电路后来居上。
它的核心是由三极管和三极管组成。它的作用与上面说的RTL一样,但更加稳定,频率也更高。
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图中,当T4截止,T5导通时,Y输出为低电平,T5的CE极之间的饱和压降大约为0.3V。

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当T5截止,T4导通时,输出电压大约为3.6V。

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输入输出特性

输入电压准位:

  • Hi输入电压:2.0V以上
  • Low输入电压:0.8V以下

输出电压准位:

  • Hi输出电压:2.4V以上
  • Low输出电压:0.4V以下

由以上规范可以算出:前一级输出至次一级输入电压准位间,可以容忍的噪声边际电压是0.4V。
由于TTL电路种类很多,就要取输出高电平最小的一种(2.4V)。就像木桶效应一样。

为什么TTL的输入高电平要大于2.0V呢?

当两个输入同时大于等于2.0V时,这三个晶体管可以完全导通,能输出期望的低电平。
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如果有一个输入小于0.8V,E点电压就会被拉低,此时T5截止,T4导通,输出3.6V的高电平。
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在稳定状态下,T4和T5只能有一个导通。
图中的两个二极管起到了钳位的作用,它既可以抑制输入端出现的负极性脉冲,又能限制电流,起到保护作用。
TTL电路的优点是速度快,但有一个缺点是它无法大规模集成,那就是三极管的静态电流损耗非常大。

小电流撬动大电流

如果要用单片机控制LED灯的开关。
一般小功率LED灯流过的电流差不多5mA,所以单片机引脚就可以直接点亮LED灯。
如果要用单片机控制大功率LED灯。
比如这个LED灯的工作电流是100mA,正向压降为2V,这时候单片机肯定是不能直接点亮LED灯的。因为单片机所有引脚可流过的电流也就20mA。所以它肯定不能直接驱动100mA的LED灯。
如果要驱动这个大功率LED灯,就需要用到三极管。
它有小电流撬动大电流的本领。比如给它输入一个很小的电流,就能输出很大的电流,这样单片机就可以用小电流去控制这个LED灯了。
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还有一个问题,就是这两个电阻的阻值该选多大的呢。
设上方的电阻为R2,要想知道它的阻值,就要知道流过它的电流和加在它身上的电压。因为R2和LED灯是串联关系,所以流过R2的电流也是100mA。电压是用12V减去LED灯和CE极的压降,就是电阻R2身上的电压。LED灯的正向压降是2V,但是三极管CE极的压降是多少呢?这个很容易得到,因为这个三极管现在在充当开关的作用,所以它处于饱和状态。这样我们就能在这个型号的三极管数据手册中查到它的CE极压降。
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由这个曲线可以看出,当流过100mA电流时,CE极饱和压降差不多接近0.2V,所以R2身上的压降是9.8V。
所以R2的阻值为98Ω。
然后就是R1的阻值,方法也是一样的,它身上的电压是用5V减去三极管BE极压降,这个压降一般取0.7V,所以R1身上的电压是4.3V。
那它身上的电流怎么算呢,这时候可以用C极电流反向推导。因为C极电流是100mA,我们只需要知道此时三极管的增益,就能反向求出B极电流,这个增益也可以从数据手册上查到。
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在C极电流为100mA时,它的增益为30,由此可以求出流过B极的电流为3.3mA(100/30),所以R1的阻值应该为1300Ω。
这样当我们单片机只需要输出3.3mA的电流,就能控制LED灯输出100mA的电流。

多发射极三极管

本质是一个与门。
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右侧集电极C始终为高电平1,基极B也始终为高电平1,当左侧集电极有一个为低电平0零时,就可以导通,会产生很小的压差。Vo等效于低电平。
下图中AB与Y是“与”的关系,Y与T’是“非”的关系。Y上加横线读作Y bar,bar就是横线的意思。
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CMOS

互补式金属氧化物半导体(英语:Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,缩写作 CMOS;简称互补式金氧半导体)

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TTL静态电流损耗太大,鉴于此,发明了速度相对较慢,但静态电流为0的CMOS逻辑电路。
Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,缩写作 CMOS;简称互补式金氧半导体。
互补是因为N型MOS和P型MOS同时出现在了电路中。
常用于金氧半场效应管的电路符号有多种形式,最常见的设计是以一条垂直线代表沟道(Channel)两条和沟道平行的接线代表源极(Source)与漏极(Drain)左方和沟道垂直的接线代表栅极(Gate) ,如下图所示。有时也会将代表沟道的直线以虚线代替,以区分增强型(enhancement mode,又称增强式)金氧半场效应管或是耗尽型(depletion mode,又称耗尽式)金氧半场效应管。
由于集成电路芯片上的金氧半场效应管为四端器件,所以除了源极(S)、漏极(D)、栅极(G)外,尚有一基极(Bulk或是Body)。金氧半场效应管电路符号中,从沟道往右延伸的箭号方向则可表示此器件为n型或是p型的金氧半场效应管。箭头方向永远从P端指向N端,所以箭头从沟道指向基极端的为p型的金氧半场效应管,或简称PMOS(代表此器件的沟道为p型);反之则代表基极为p型,而沟道为n型,此器件为n型的金氧半场效应管,简称NMOS。在一般分布式金氧半场效应管器件中,通常把基极和源极接在一起,故分布式金氧半场效应管通常为三端器件。而在集成电路中的金氧半场效应管通常因为使用同一个基极(common bulk),所以不标示出基极的极性,而在PMOS的栅极端多加一个圆圈以示区别。

PMOS image.png image.png image.png image.png image.png
NMOS image.png image.png image.png image.png image.png
JFET 增强型MOSFET 增强型MOSFET(省略基极) 耗尽型MOSFET

输入输出特性

(VCC=5V)
输入:

  • 高:>=3.5V
  • 低:<=1.5V

输出:

  • 高:>=4.45V
  • 低:<=0.5V

满幅输出

这是一个CMOS与非门,它的作用与上面的TTL与非门完全相同。

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CMOS与非门中的半导体器件都是MOS管,MOS管的静态功耗接近于0,所以它可以在芯片里面大规模集成。
当输入同时为高电平时,MOS管的导通情况是这样的:此时输出的电平接近0V。
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只要有一个输入为低电平时,Y就可以输出高电平。这时T1导通,由于T1的导通阻抗非常低,我们可以认为输出的电平为5V,这就是CMOS的满幅输出输出特征

可直接驱动TTL

我们使用的单片机是CMOS器件,而与电脑通讯的却是TTL转USB。
CMOS器件能直接通讯TTL吗?当然可以!
CMOS输出的高电平接近5V,低电平接近0V,而TTL的输入高电平大于2V,低电平小于0.8V。这样看CMOS是可以直接驱动TTL的。
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今天的文章CMOS与TTL(下):TTL、CMOS分享到此就结束了,感谢您的阅读。

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