常见逻辑电平标准
现在常用的电平标准有TTL 、CMOS 、LVTTL 、LVCMOS 、ECL 、PECL 、LVPECL 、RS232、RS485等,还有一些速度比较高的 LVDS 、GTL 、PGTL 、CML 、HSTL 、SSTL 等。下面简单介绍一下各自的供电电源、电平标准以及使用注意事项。
TTL :Transistor-Transistor Logic 三极管结构。
Vcc :5V ;VOH>=2.4V;VOL=2V;VIL
因为2.4V 与5V 之间还有很大空闲,对改善噪声容限并没什么好处,又会白白增大系统功耗,还会影响速度。所以后来就把一部分“砍”掉了。也就是后面的LVTTL 。
LVTTL 又分3.3V 、2.5V 以及更低电压的LVTTL(Low Voltage TTL)。
3.3V LVTTL:
Vcc :3.3V ;VOH>=2.4V;VOL=2V;VIL
2.5V LVTTL:
Vcc :2.5V ;VOH>=2.0V;VOL=1.7V;VIL
更低的LVTTL 不常用就先不讲了。多用在处理器等高速芯片,使用时查看芯片手册就OK 了。
TTL 使用注意:TTL 电平一般过冲都会比较严重,可能在始端串22欧或33欧电
阻; TTL 电平输入脚悬空时是内部认为是高电平。要下拉的话应用1k 以下电阻下拉。TTL 输出不能驱动CMOS 输入。
CMOS :Complementary Metal Oxide Semiconductor PMOS+NMOS。
Vcc :5V ;VOH>=4.45V;VOL=3.5V;VIL
相对TTL 有了更大的噪声容限,输入阻抗远大于TTL 输入阻抗。对应3.3V LVTTL,出现了LVCMOS ,可以与3.3V 的LVTTL 直接相互驱动。
3.3V LVCMOS:
Vcc :3.3V ;VOH>=3.2V;VOL=2.0V;VIL
2.5V LVCMOS:
Vcc :2.5V ;VOH>=2V;VOL=1.7V;VIL
CMOS 使用注意:CMOS 结构内部寄生有可控硅结构,当输入或输入管脚高于VCC 一定值(比如一些芯片是0.7V) 时,电流足够大的话,可能引起闩锁效应,导致芯片的烧毁。
ECL :Emitter Coupled Logic 发射极耦合逻辑电路(差分结构)
Vcc=0V;Vee :-5.2V ;VOH=-0.88V;VOL=-1.72V;VIH=-1.24V;VIL=-1.36V。
速度快,驱动能力强,噪声小,很容易达到几百M 的应用。但是功耗大,需要负电源。为简化电源,出现了PECL(ECL结构,改用正电压供电) 和LVPECL 。
PECL :Pseudo/Positive ECL
Vcc=5V;VOH=4.12V;VOL=3.28V;VIH=3.78V;VIL=3.64V
LVPELC :Low Voltage PECL
Vcc=3.3V;VOH=2.42V;VOL=1.58V;VIH=2.06V;VIL=1.94V
ECL 、PECL 、LVPECL 使用注意:不同电平不能直接驱动。中间可用交流耦合、电阻网络或专用芯片进行转换。以上三种均为射随输出结构,必须有电阻拉到一个直流偏置电压。(如多用于时钟的LVPECL :直流匹配时用130欧上拉,同时用82欧下拉;交流匹配时用82欧上拉,同时用130欧下拉。但两种方式工作后直流电平都在1.95V 左右。)
前面的电平标准摆幅都比较大,为降低电磁辐射,同时提高开关速度又推出LVDS 电平标准。
LVDS :Low Voltage Differential Signaling
差分对输入输出,内部有一个恒流源3.5-4mA ,在差分线上改变方向来表示0和1。通过外部的100欧匹配电阻(并在差分线上靠近接收端) 转换为±350mV 的差分电平。
LVDS 使用注意:可以达到600M 以上,PCB 要求较高,差分线要求严格等长,差最好不超过10mil(0.25mm)。100欧电阻离接收端距离不能超过500mil ,最好控制在300mil 以内。
下面的电平用的可能不是很多,篇幅关系,只简单做一下介绍。如果感兴趣的话可以联系我。
CML :是内部做好匹配的一种电路,不需再进行匹配。三极管结构,也是差分线,速度能达到3G 以上。只能点对点传输。
GTL :类似CMOS 的一种结构,输入为比较器结构,比较器一端接参考电平,另一端接输入信号。1.2V 电源供电。
Vcc=1.2V;VOH>=1.1V;VOL=0.85V;VIL
PGTL/GTL+:
Vcc=1.5V;VOH>=1.4V;VOL=1.2V;VIL
HSTL 是主要用于QDR 存储器的一种电平标准:一般有V¬CCIO=1.8V和
V¬¬CCIO= 1.5V。和上面的GTL 相似,输入为输入为比较器结构,比较器一端接参考电平(VCCIO/2),另一端接输入信号。对参考电平要求比较高(1%精度) 。
SSTL 主要用于DDR 存储器。和HSTL 基本相同。V¬¬CCIO=2.5V,输入为输入为比较器结构,比较器一端接参考电平1.25V ,另一端接输入信号。对参考电平要求比较高(1%精度) 。
HSTL 和SSTL 大多用在300M 以下。
RS232和RS485基本和大家比较熟了,只简单提一下:
RS232采用±12-15V 供电,我们电脑后面的串口即为RS232标准。+12V表示0,-12V 表示1。可以用MAX3232等专用芯片转换,也可以用两个三极管加一些外围电路进行反相和电压匹配。
RS485是一种差分结构,相对RS232有更高的抗干扰能力。传输距离可以达到上千米。 电路常识性概念(4)-TTL 与CMOS 电平 / OC门
2008-05-27 23:35
一.TTL
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
二.CMOS
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。
三.74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
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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
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(ttl 5vcmos 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。
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。
6、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
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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
(2):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。
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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。
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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