三种逻辑电路的比较

三种逻辑电路的介绍与比较 摘要：本文主要介绍CMOS 逻辑，TTL 逻辑和二极管逻辑。先对三种逻辑电路进行介绍，

正文：

一：首先介绍的是最早使用的ＴＴＬ逻辑电路。TTL 全称Transistor-Transistor Logic,即BJT-BJT 逻辑门电路，是数字电子技术中常用的一种逻辑门电路，应用较早，技术已比较成熟。TTL 主要有BJT （Bipolar Junction Transistor 即双极结型晶体管，晶体三极管）和电阻构成，具有速度快的特点。最早的TTL 门电路是74系列，后来出现了74H 系列，74L 系列，74LS,74AS,74ALS 等系列。但是由于TTL 功耗大等缺点，正逐渐被CMOS 电路取代。 TTL门电路有74（商用）和54（军用）两个系列，每个系列又有若干个子系列。TTL 电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V 等价于逻辑“0”，这被称做TTL （晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。

（１）７４系列以内部结构可以分为：

（ａ）标准型：结构跟构成的材料最简单，相对的特性也是不理想，所以此类型已经被淘汰多时。无英文简写，范例：7400。

（ｂ）早期的低功率型与高速型：

低功率型，（英文 Low Power简写“L ”），耗电低，但速度慢。范例：74L00。

高速型，（英文 High Speed简写“H ”），速度较快，输出较强，但耗电高。范例：74H00。 由于 S 型耗电与 H 型相近，但速度极快。 LS 型的耗电与 L 型相近，但速度却快很多，甚至比 H 型还快。 因此 L 型与 H 型很快就退出市场。

（ｃ）肖特基（Schottky ）：除了电阻器一样是做控流跟偏压用途，萧特基型最主要是采用萧特基二极管跟萧特基晶体管，改善切换速度。在市面上跟教育单位非常普及，特性也很不错，常常被用来搭配Intel 8051使用。LS 型逐渐成为TTL 中的主流。

萧特基型（英文 Schottky Logic，简写“S ”），范例：74S 00

高级萧特基型（英文 Advanced Schottky Logic，简写“AS ”），范例：74AS 00。 低功率萧特基型（英文 Low Power Schottky Logic，简写“LS ”），范例：74LS 00。

高级低功率萧特基型（英文 Advanced Low Power Schottky Logic，简写“ALS ”），范例：74ALS 00。（ｄ）快速（英文Fast ，简写“F ”）：快速型是有别于萧特基型所另外发展的高速TTL ，范例：74F 00

（2）ＴＴＬ的应用：在超大规模集成电路出现之前，TTL 集成电路是构造微型机和主机处理器的标准方法。其原因如下：首先计算机处理器控制的设备内部的数据传输对于电源的要求不高以及热损耗也较低；其次TTL 电平信号直接与集成电路连接而不需要价格昂贵的线路驱动器以及接收器电路；再者，计算机处理器控制的设备内部的数据传输是在高速下进行的，而TTL 接口的操作恰能满足这个要求。

二：接下来介绍的是目前应用的最广泛的ＣＭＯＳ逻辑电路。CMOS 是单词的首字母缩写，代表互补的金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，它指的是一种特殊类型的电子集成电路(IC)。简单的ＣＭＯＳ反相器的开关模型是由一对互补的场效应管组成，原理图如下图所示，一个Ｐ型场效应管接电源正极，一个Ｎ型 场效应管接地。当输入为高电平时，Ｎ型场效应管导通，输出便为低电平。当输入是

低电平时，电路通过Ｐ型场效应管导通，输出为高电

平。ＣＭＯＳ逻辑通过最简单的反相器从而构造出逻

辑关系中与门，或门电路。

（1）CMOS 逻辑门电路的系列及主要参数:

1．CMOS 逻辑门电路的系列

（ａ）基本的CMOS ——4000系列。

这是早期的CMOS 集成逻辑门产品，工作电

源电压范围为3～18V ，由于具有功耗低、噪声容

限大、扇出系数大等优点，已得到普遍使用。缺

点是工作速度较低，平均传输延迟时间为几十ns ，最高工作频率小于5MHz 。 （ｂ）高速的CMOS ——HC （HCT ）系列。

该系列电路主要从制造工艺上作了改进，使其大大提高了工作速度，平均传输延迟时间小于10ns ，最高工作频率可达50MHz 。HC 系列的电源电压范围为2～6V 。HCT 系列的主要特点是与TTL 器件电压兼容，它的电源电压范围为4.5～5.5V 。它的输入电压参数为VIH （min ）=2.0V；VIL （max ）=0.8V，与TTL 完全相同。另外，74HC/HCT系列与74LS 系列的产品，只要最后3位数字相同，则两种器件的逻辑功能、外形尺寸，引脚排列顺序也完全相同，这样就为以CMOS 产品代替TTL 产品提供了方便。 （ｃ）先进的CMOS ——AC （ACT ）系列

该系列的工作频率得到了进一步的提高，同时保持了CMOS 超低功耗的特点。其中ACT 系列与TTL 器件电压兼容，电源电压范围为4.5～5.5V 。AC 系列的电源电压范围为1.5～5.5V 。AC （ACT ）系列的逻辑功能、引脚排列顺序等都与同型号的HC （HCT ）系列完全相同。

2．CMOS 逻辑门电路的主要参数

（ａ）输出高电平VOH 与输出低电平VOL 。CMOS 门电路VOH 的理论值为电源电压VDD ，VOH （min ）=0.9VDD；VOL 的理论值为0V ，VOL （max ）=0.01VDD。所以CMOS 门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大，接近电源电压VDD 值。

（ｂ）阈值电压Vth 约为VDD/2。

（ｃ）抗干扰容限。CMOS 非门的关门电平VOFF 为0.45VDD ，开门电平VON 为

0.55VDD 。因此，其高、低电平噪声容限均达0.45VDD 。其他CMOS 门电路的噪声容限一般也大于0.3VDD ，电源电压VDD 越大，其抗干扰能力越强。

（ｄ）传输延迟与功耗。CMOS 电路的功耗很小，一般小于1 mW/门，但传输延迟较大，一般为几十ns/门，且与电源电压有关，电源电压越高，CMOS 电路的传输延迟越小，功耗越大。前面提到74HC 高速CMOS 系列的工作速度己与TTL 系列相当。

（ｅ）扇出系数。因CMOS 电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，一般额定扇出系数可达50。但必须指出的是，扇出系数是指驱动CMOS 电路的个数，若就灌电流负载能力和拉电流负载能力而言，CMOS 电路远远低于TTL 电路。

（2） CMOS集成电路的性能及特点

功耗低：CMOS 集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是 实际上，由于存在漏电流， CMOS 电路尚有微量静态功耗。单个门电路的功耗典型值仅为20mW ，动态功耗（在1MHz 工作 频率时）也仅为几mW

工作电压范围宽：CMOS 集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。国产CC4000 系列的集成电路，可在3~18V电压下正常工作。

逻辑摆幅大：CMOS 集成电路的逻辑高电平"1" 、逻辑低电平"0" 分别接近于电源高电位VDD 及电源低电位VSS 。当VDD=15V，VSS=0V时，输出逻辑摆幅近似15V 。因此，CMOS 集成电路的电压利用系数在各类集成电路中指标是较高的。

抗干扰能力强：CMOS 集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45%，保证值为电源电压的30%。随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成比例增加。对于VDD=15V的供电电压（当VSS=0V时），电路将有7V 左右的噪声容限。

输入阻抗高：CMOS 集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护网络，故比一般场效应管的输入电阻稍小，但在正常工作电压范围内，这些保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄露电流，通常情况下，等效输入阻抗高达31110~10Ω，因此CMOS 集成电路几乎不消耗驱动电路的功率。

温度稳定性能好：由于CMOS 集成电路的功耗很低，内部发热量少，而且，CMOS 电路线路结构和电气参数都具有对称性，在温度环境发生变化时，某些参数能起到自动补偿作用，因而CMOS 集成电路的温度特性非常好。一般陶瓷金属封装的电路，工作温度为-55 ~ +125℃；塑料封装的电路工作温度范围为-45 ~ +85℃。

扇出能力强：扇出能力是用电路输出端所能带动的输入端数来表示的。由于CMOS 集成电路的输入阻抗极高，因此电路的输出能力受输入电容的限制，但是，当CMOS 集成电路用来驱动同类型，如不考虑速度，一般可以驱动50个以上的输入端。

抗辐射能力强：CMOS 集成电路中的基本器件是MOS 晶体管，属于多数载流子导电器件。各种射线、辐射对其导电性能的影响都有限，因而特别适用于制作航天及核实验设备。

可控性好:CMOS 集成电路输出波形的上升和下降时间可以控制，其输出的上升和下降时间的典型值为电路传输延迟时间的125%~140%。

接口方便:因为CMOS 集成电路的输入阻抗高和输出摆幅大，所以易于被其他电路所驱动，也容易驱动其他类型的电路或器件。

（3）CMOS 逻辑电路的应用及其重要性：

虽然制造集成电路的方法有多种，但对于数字逻辑电路而言CMOS 是主要的方法。桌面个人计算机、工作站、视频游戏以及其它成千上万的其它产品都依赖于CMOS 集成电路来完成所需的功能。当我们注意到所有的个人计算机都使用专门的CMOS 芯片，如众所周知的微处理器，来获得计算性能时，CMOS 的重要性就不言而喻了。CMOS 之所以流行的一些原因为:

•逻辑函数很容易用CMOS 电路来实现。

•CMOS允许极高的逻辑集成密度。其含义就是逻辑电路可以做得非常小，可以制造在极小的面积上。

•用于制造硅片CMOS 芯片的工艺已经是众所周知，并且CMOS 芯片的制造和销售价格十分合理。

三：接下来继续介绍的是二极管逻辑。二极管逻辑（Diode logic）是用晶体二极管作为操作开关的逻辑电路。二极管逻辑的优点是电路简单。但是并不是所有的逻辑功能都可以用二极管逻辑来实现的，二极管逻辑电路中只有逻辑与门，或门，非—-反门。在几个二极管逻辑电路级联的时候会出现电压降的问题，所以二极管逻辑电路只能单独使用，不能级联。二极管逻辑的使用：二极管逻辑一般是用于构建二极管—晶体管逻辑（DTL ）门电路中。 四:TTL与ＣＭＯＳ逻辑电路的比较：

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。

４）CMOS 不用端不能悬空，必须处理。而TTL 不用端不需处理

5） CMOS 和 TTL输入转换电平：

CMOS ：它的转换电平是电源电压的 1/2，因为 CMOS 的输入时互补的，保证了转换电平是电源电压的 1/2。

TTL ：由于它的输入多射击晶体管的结构，决定了转换电平是 2 倍的 PN 结正向压降，大约为 1.4V。TTL 电源只有 5V的，而且输入电流的方向是向外的。所以TTL 电源电压是被限制了的，而ＣＭＯＳ电源电压只要在一定范围即可

总结：

二极管逻辑电路优点是电路形式简单，工作电压范围不受限制，用开关管或超快恢复二极管、肖特基二极管可以达到较高的速度，但驱动能力相对较弱，功耗相对较大，输入阻抗相对较低，综合起来造成扇出系数很低。并且由于不能实现逻辑非门，不能级联，二极管逻辑的使用是很受限制的。

TTL 逻辑电路缺点是电路形式比二极管逻辑电路要复杂，工作电压范围较窄，输入阻抗高于二极管逻辑电路但不如CMOS 逻辑电路，功耗略大，优点是速度较高，驱动能力也较强，综合起来扇出系数中等；

CMOS 逻辑电路缺点是电路形式比二极管逻辑电路要复杂，工作电压范围宽于TTL 逻辑电路但明显小于二极管逻辑电路，优点是速度较高，驱动能力也较强，而且输入阻抗极高，综合起来扇出系数最大。CMOS 比TTL 的噪声容限更大，抗干扰能力，驱动负载能力更强。正由于这些优点，ＣＭＯＳ的使用占据了主导地位。