详解TTL和CMOS电平

“TTL电平”最常用于有关电专业，如：电路、数字电路、微机原理与接口技术、单片机等课程中都有所涉及。在数字电路中只有两种电平（高和低）高电平+5V、低电平0V.同样运用比较广泛的还有CMOS电平、232电平、485电平等。
　　TTL电路
　　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
　　CMOS电路
　　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。
　　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
　　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=2.0V，输入低电平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。
　　2、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。
　　3、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。
　　4、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.
　　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－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。
　　OC门
　　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。
　　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。