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干貨 | 詳解TTL電路和CMOS電路

發(fā)布人：旺材芯片 時(shí)間：2021-04-02 來源：工程師 發(fā)布文章

目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)字電路是TTL電路和CMOS電路。


TTL—Transistor-Transistor Logic 三極管－三極管邏輯


MOS—Metal-Oxide Semiconductor 金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管


CMOS—Complementary Metal-Oxide Semiconductor互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管


1、TTL電路


TTL電路以雙極型晶體管（三極管）為開關(guān)元件，所以又稱雙極型集成電路。雙極型數(shù)字集成電路是利用電子和空穴兩種不同極性的載流子進(jìn)行電傳導(dǎo)的器件。
它具有速度高（開關(guān)速度快）、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其功耗較大，集成度相對(duì)較低。
根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，它分為54系列和74系列，前者為軍品，一般工業(yè)設(shè)備和消費(fèi)類電子產(chǎn)品多用后者。
74系列數(shù)字集成電路是國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)電路。其品種分為六大類：74（標(biāo)準(zhǔn)）、74S（肖特基）、74LS××（低功耗肖特基）、74AS××（先進(jìn)肖特基）、74ALS××（先進(jìn)低功耗肖特基）、74F××（高速）、其邏輯功能完全相同。
2、CMOS電路
CMOS電路是由絕緣場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成，由于只有一種載流子，因而是一種單極型晶體管集成電路。
它的主要優(yōu)點(diǎn)是輸入阻抗高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)且適合大規(guī)模集成。特別是其主導(dǎo)產(chǎn)品CMOS集成電路有著特殊的優(yōu)點(diǎn)，如靜態(tài)功耗幾乎為零，輸出邏輯電平可為VDD或VSS，上升和下降時(shí)間處于同數(shù)量級(jí)等，因而CMOS集成電路產(chǎn)品已成為集成電路的主流之一。


其品種包括4000系列的CMOS電路以及74系列的高速CMOS電路。其中74系列的高速CMOS電路又分為三大類：HC為CMOS工作電平；HCT為TTL工作電平（它可與74LS系列互換使用）；HCU適用于無緩沖級(jí)的CMOS電路。74系列高速CMOS電路的邏輯功能和引腳排列與相應(yīng)的74LS系列的品種相同，工作速度也相當(dāng)高，功耗大為降低。
74系列可以說是我們平時(shí)接觸的最多的芯片，74系列中分為很多種，而我們平時(shí)用得最多的應(yīng)該是以下幾種：74LS，74HC，74HCT這三種

輸入電平輸出電平
74LS TTL電平TTL電平
74HC CMOSCMOS電平
74HCTTTL電平CMOS電平

另外，隨著推出BiCMOS集成電路，它綜合了雙極和MOS集成電路的優(yōu)點(diǎn)，普通雙極型門電路的長(zhǎng)處正在逐漸消失，一些曾經(jīng)占主導(dǎo)地位的TTL系列產(chǎn)品正在逐漸退出市場(chǎng)。CMOS門電路不斷改進(jìn)工藝，正朝著高速、低耗、大驅(qū)動(dòng)能力、低電源電壓的方向發(fā)展。BiCMOS集成電路的輸入門電路采用CMOS工藝，其輸出端采用雙極型推拉式輸出方式，既具有CMOS的優(yōu)勢(shì)，又具有雙極型的長(zhǎng)處，已成為集成門電路的新寵。

3、CMOS集成電路的性能及特點(diǎn)

  • 功耗低

CMOS集成電路采用場(chǎng)效應(yīng)管，且都是互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，工作時(shí)兩個(gè)串聯(lián)的場(chǎng)效應(yīng)管總是處于一個(gè)管導(dǎo)通另一個(gè)管截止的狀態(tài)，電路靜態(tài)功耗理論上為零。實(shí)際上，由于存在漏電流，CMOS電路尚有微量靜態(tài)功耗。單個(gè)門電路的功耗典型值僅為20mW，動(dòng)態(tài)功耗（在1MHz工作頻率時(shí)）也僅為幾mW。

  • 工作電壓范圍寬

CMOS集成電路供電簡(jiǎn)單，供電電源體積小，基本上不需穩(wěn)壓。國(guó)產(chǎn)CC4000系列的集成電路，可在3~18V電壓下正常工作。

  • 邏輯擺幅大

CMOS集成電路的邏輯高電平"1"、邏輯低電平"0"分別接近于電源高電位VDD及電源低電位VSS。當(dāng)VDD=15V，VSS=0V時(shí)，輸出邏輯擺幅近似15V。因此，CMOS集成電路的電壓利用系數(shù)在各類集成電路中指標(biāo)是較高的。

  • 抗干擾能力強(qiáng)

CMOS集成電路的電壓噪聲容限的典型值為電源電壓的45%，保證值為電源電壓的30%。
隨著電源電壓的增加，噪聲容限電壓的絕對(duì)值將成比例增加。對(duì)于VDD=15V的供電電壓（當(dāng)VSS=0V時(shí)），電路將有7V左右的噪聲容限。

  • 輸入阻抗高

CMOS集成電路的輸入端一般都是由保護(hù)二極管和串聯(lián)電阻構(gòu)成的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，故比一般場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻稍小，但在正常工作電壓范圍內(nèi)，這些保護(hù)二極管均處于反向偏置狀態(tài)，直流輸入阻抗取決于這些二極管的泄露電流，通常情況下，等效輸入阻抗高達(dá)103~1011?，因此CMOS集成電路幾乎不消耗驅(qū)動(dòng)電路的功率。

  • 溫度穩(wěn)定性能好

由于CMOS集成電路的功耗很低，內(nèi)部發(fā)熱量少，而且，CMOS電路線路結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)都具有對(duì)稱性，在溫度環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，某些參數(shù)能起到自動(dòng)補(bǔ)償作用，因而CMOS集成電路的溫度特性非常好。一般陶瓷金屬封裝的電路，工作溫度為-55 ~ +125℃；塑料封裝的電路工作溫度范圍為-45 ~ +85℃。

  • 扇出能力強(qiáng)

扇出能力是用電路輸出端所能帶動(dòng)的輸入端數(shù)來表示的。由于CMOS集成電路的輸入阻抗極高，因此電路的輸出能力受輸入電容的限制，但是，當(dāng)CMOS集成電路用來驅(qū)動(dòng)同類型，如不考慮速度，一般可以驅(qū)動(dòng)50個(gè)以上的輸入端。

  • 抗輻射能力強(qiáng)

CMOS集成電路中的基本器件是MOS晶體管，屬于多數(shù)載流子導(dǎo)電器件。各種射線、輻射對(duì)其導(dǎo)電性能的影響都有限，因而特別適用于制作航天及核實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

  • 可控性好

CMOS集成電路輸出波形的上升和下降時(shí)間可以控制，其輸出的上升和下降時(shí)間的典型值為電路傳輸延遲時(shí)間的125%~140%。

  • 接口方便

因?yàn)镃MOS集成電路的輸入阻抗高和輸出擺幅大，所以易于被其他電路所驅(qū)動(dòng)，也容易驅(qū)動(dòng)其他類型的電路或器件。
Q為什么BJT比CMOS速度要快?A

主要是受遷移率的影響。以NPN管和NMOS為例，BJT中的遷移率是體遷移率，大約為1350cm2/vs。NMOS中是半導(dǎo)體表面遷移率，大約在400-600cm2/vs。所以BJT的跨導(dǎo)要高于MOS的，速度快于MOS。這也是NPN（NMOS）比PNP（PMOS）快的原因。


NPN比PNP快也是因?yàn)檩d流子遷移率不同，NPN中的基區(qū)少子是電子，遷移率大（1350左右）；PNP的基區(qū)少子是空穴（480左右）。所以同樣的結(jié)構(gòu)和尺寸的管子，NPN比PNP快。所以在雙極工藝中，是以作NPN管為主，PNP都是在兼容的基礎(chǔ)上做出來的。MOS工藝都是以N阱PSUB工藝為主，這種工藝可做寄生的PNP管，要做NPN管就要是P阱NSUB工藝。
BJT是之所以叫bipolar，是因?yàn)榛鶇^(qū)中既存在空穴又存在電子，是兩種載流子參與導(dǎo)電的；而MOS器件的反形層中只有一種載流子參與導(dǎo)電。
但并不是因?yàn)閮煞N載流子導(dǎo)電總的遷移率就大了。而且情況可能恰恰相反。因?yàn)檩d流子的遷移率是與溫度和摻雜濃度有關(guān)的。半導(dǎo)體的摻雜濃度越高，遷移率越小。而在BJT中，少子的遷移率起主要作用。
NPN管比PNP管快的原因是NPN的基子少子是電子，PNP的是空穴，電子的遷移率比空穴大。NMOS比PMOS快也是這個(gè)原因。
而NPN比NMOS快的原因是NPN是體器件，其載流子的遷移率是半導(dǎo)體內(nèi)的遷移率；NMOS是表面器件，其載流子的遷移率是表面遷移率（因?yàn)榉葱螌邮窃跂叛跸碌谋砻嫘纬傻模?。而半?dǎo)體的體遷移率大于表面遷移率。

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