TTL電路和CMOS電路詳解
發(fā)布時間:2021-04-06 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】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。
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)動能力強等優(yōu)點,但其功耗較大,集成度相對較低。
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)備和消費類電子產(chǎn)品多用后者。
74系列數(shù)字集成電路是國際上通用的標(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)點是輸入阻抗高、功耗低、抗干擾能力強且適合大規(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,如靜態(tài)功耗幾乎為零,輸出邏輯電平可為VDD或VSS,上升和下降時間處于同數(shù)量級等,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接觸的最多的芯片,74系列中分為很多種,而我們平時用得最多的應(yīng)該是以下幾種:74LS,74HC,74HCT這三種
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,普通雙極型門電路的長處正在逐漸消失,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。CMOS門電路不斷改進(jìn)工藝,正朝著高速、低耗、大驅(qū)動能力、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,又具有雙極型的長處,已成為集成門電路的新寵。
3、CMOS集成電路的性能及特點
功耗低
CMOS集成電路采用場效應(yīng)管,且都是互補結(jié)構(gòu),工作時兩個串聯(lián)的場效應(yīng)管總是處于一個管導(dǎo)通另一個管截止的狀態(tài),電路靜態(tài)功耗理論上為零。實際上,由于存在漏電流,CMOS電路尚有微量靜態(tài)功耗。單個門電路的功耗典型值僅為20mW,動態(tài)功耗(在1MHz工作頻率時)也僅為幾mW。
工作電壓范圍寬
CMOS集成電路供電簡單,供電電源體積小,基本上不需穩(wěn)壓。國產(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,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
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值將成比例增加。對于VDD=15V的供電電壓(當(dāng)VSS=0V時),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)都具有對稱性,在溫度環(huán)境發(fā)生變化時,某些參數(shù)能起到自動補償作用,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
扇出能力是用電路輸出端所能帶動的輸入端數(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)動同類型,如不考慮速度,一般可以驅(qū)動50個以上的輸入端。
抗輻射能力強
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驗設(shè)備。
可控性好
CMOS集成電路輸出波形的上升和下降時間可以控制,其輸出的上升和下降時間的典型值為電路傳輸延遲時間的125%~140%。
接口方便
因為CMOS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,也容易驅(qū)動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快也是因為載流子遷移率不同,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,是因為基區(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。
但并不是因為兩種載流子導(dǎo)電總的遷移率就大了。而且情況可能恰恰相反。因為載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(因為反形層是在柵氧下的表面形成的)。而半導(dǎo)體的體遷移率大于表面遷移率。
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