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TTL與CMOS電平/OC門(mén)
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TTL與CMOS集成電路

更新時(shí)間:2018/4/18 16:06:33    閱讀:32664    分享此文章:
目前應用最廣泛的數字電路是TTL電路和CMOS電路。

1、TTL電路
TTL電路以雙極型晶體管為開(kāi)關(guān)元件,所以又稱(chēng)雙極型集成電路。雙極型數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)行電傳導的器件。

它具有速度高(開(kāi)關(guān)速度快)、驅動(dòng)能力強等優(yōu)點(diǎn),但其功耗較大,集成度相對較低。

根據應用領(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)設備和消費類(lèi)電子產(chǎn)品多用后者。74系列數字集成電路是國際上通用的標準電路。其品種分為六大類(lèi):74××(標準)、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
MOS電路又稱(chēng)場(chǎng)效應集成電路,屬于單極型數字集成電路。單極型數字集成電路中只利用一種極性的載流子(電子或空穴)進(jìn)行電傳導。

它的主要優(yōu)點(diǎn)是輸入阻抗高、功耗低、抗干擾能力強且適合大規模集成。特別是其主導產(chǎn)品CMOS集成電路有著(zhù)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(lèi):HC為CMOS工作電平;HCT為T(mén)TL工作電平(它可與74LS系列互換使用);HCU適用于無(wú)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的74LS系列的品種相同,工作速度也相當高,功耗大為降低。

74系列可以說(shuō)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                COMS電平                 COMS電平

    74HCT              TTL電平                      COMS電平

另外,隨著(zhù)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(mén)電路的長(cháng)處正在逐漸消失,一些曾經(jīng)占主導地位的TTL系列產(chǎn)品正在逐漸退出市場(chǎng)。CMOS門(mén)電路不斷改進(jìn)工藝,正朝著(zhù)高速、低耗、大驅動(dòng)能力、低電源電壓的方向發(fā)展。BiCMOS集成電路的輸入門(mén)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(cháng)處,已成為集成門(mén)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)效應管,且都是互補結構,工作時(shí)兩個(gè)串聯(lián)的場(chǎng)效應管總是處于一個(gè)管導通另一個(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(mén)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在各類(lèi)集成電路中指標是較高的。

 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(zhù)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二極管和串聯(lián)電阻構成的保護網(wǎng)絡(luò ),故比一般場(chǎng)效應管的輸入電阻稍小,但在正常工作電壓范圍內,這些保護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103~1011Ω,因此CMOS集成電路幾乎不消耗驅動(dòng)電路的功率。

 溫度穩定性能好
由于CMOS集成電路的功耗很低,內部發(fā)熱量少,而且,CMOS電路線(xiàn)路結構和電氣參數都具有對稱(chēng)性,在溫度環(huán)境發(fā)生變化時(shí),某些參數能起到自動(dòng)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(dòng)的輸入端數來(lái)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CMOS集成電路用來(lái)驅動(dòng)同類(lèi)型,如不考慮速度,一般可以驅動(dòng)50個(gè)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,屬于多數載流子導電器件。各種射線(xiàn)、輻射對其導電性能的影響都有限,因而特別適用于制作航天及核實(shí)驗設備。

 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動(dòng),也容易驅動(dòng)其他類(lèi)型的電路或器件。

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

MOS—Metal-Oxide Semiconductor 金屬氧化物半導體晶體管

CMOS—Complementary Metal-Oxide Semiconductor互補型金屬氧化物半導體晶體管

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Q:為什么BJT比CMOS速度要快?
A:很多人只知道BJT比CMOS快,但不知道為什么。

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中是半導體表面遷移率,大約在400-600cm2/vs。所以BJT的跨導要高于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中的基區少子是電子,遷移率大(1350左右);PNP的基區少子是空穴(480左右)。所以同樣的結構和尺寸的管子,NPN比PNP快。所以在雙極工藝中,是以作NPN管為主,PNP都是在兼容的基礎上做出來(lái)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,是因為基區中既存在空穴又存在電子,是兩種載流子參與導電的;而MOS器件的反形層中只有一種載流子參與導電。

但并不是因為兩種載流子導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體內的遷移率;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)。而半導體的體遷移率大于表面遷移率。

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