CMOS与TTL（下）：TTL、CMOS

如果只看一个芯片的外观，是无法区分TTL和CMOS的。因为它们是按照芯片的制作工艺来分类的。 CMOS内部集成的是MOS管，而TTL内部集成的是三极管。

TTL

晶体管－晶体管逻辑（英语：Transistor-Transistor Logic，缩写为TTL）

最开始的是RTL Resistor–transistor logic：电阻三极管逻辑。

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RTL速度慢且不稳定，又过了几年，德州仪器的TTL逻辑电路后来居上。 它的核心是由三极管和三极管组成。它的作用与上面说的RTL一样，但更加稳定，频率也更高。

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图中，当T4截止，T5导通时，Y输出为低电平，T5的CE极之间的饱和压降大约为0.3V。

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当T5截止，T4导通时，输出电压大约为3.6V。

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输入输出特性

输入电压准位：

• Hi输入电压：2.0V以上
• Low输入电压：0.8V以下

输出电压准位：

• Hi输出电压：2.4V以上
• Low输出电压：0.4V以下

由以上规范可以算出：前一级输出至次一级输入电压准位间，可以容忍的噪声边际电压是0.4V。 由于TTL电路种类很多，就要取输出高电平最小的一种（2.4V）。就像木桶效应一样。

为什么TTL的输入高电平要大于2.0V呢？

当两个输入同时大于等于2.0V时，这三个晶体管可以完全导通，能输出期望的低电平。

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如果有一个输入小于0.8V，E点电压就会被拉低，此时T5截止，T4导通，输出3.6V的高电平。

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在稳定状态下，T4和T5只能有一个导通。 图中的两个二极管起到了钳位的作用，它既可以抑制输入端出现的负极性脉冲，又能限制电流，起到保护作用。 TTL电路的优点是速度快，但有一个缺点是它无法大规模集成，那就是三极管的静态电流损耗非常大。

小电流撬动大电流

如果要用单片机控制LED灯的开关。 一般小功率LED灯流过的电流差不多5mA，所以单片机引脚就可以直接点亮LED灯。 如果要用单片机控制大功率LED灯。 比如这个LED灯的工作电流是100mA，正向压降为2V，这时候单片机肯定是不能直接点亮LED灯的。因为单片机所有引脚可流过的电流也就20mA。所以它肯定不能直接驱动100mA的LED灯。 如果要驱动这个大功率LED灯，就需要用到三极管。 它有小电流撬动大电流的本领。比如给它输入一个很小的电流，就能输出很大的电流，这样单片机就可以用小电流去控制这个LED灯了。

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还有一个问题，就是这两个电阻的阻值该选多大的呢。 设上方的电阻为R2，要想知道它的阻值，就要知道流过它的电流和加在它身上的电压。因为R2和LED灯是串联关系，所以流过R2的电流也是100mA。电压是用12V减去LED灯和CE极的压降，就是电阻R2身上的电压。LED灯的正向压降是2V，但是三极管CE极的压降是多少呢？这个很容易得到，因为这个三极管现在在充当开关的作用，所以它处于饱和状态。这样我们就能在这个型号的三极管数据手册中查到它的CE极压降。

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由这个曲线可以看出，当流过100mA电流时，CE极饱和压降差不多接近0.2V，所以R2身上的压降是9.8V。 所以R2的阻值为98Ω。 然后就是R1的阻值，方法也是一样的，它身上的电压是用5V减去三极管BE极压降，这个压降一般取0.7V，所以R1身上的电压是4.3V。 那它身上的电流怎么算呢，这时候可以用C极电流反向推导。因为C极电流是100mA，我们只需要知道此时三极管的增益，就能反向求出B极电流，这个增益也可以从数据手册上查到。

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在C极电流为100mA时，它的增益为30，由此可以求出流过B极的电流为3.3mA（100/30），所以R1的阻值应该为1300Ω。 这样当我们单片机只需要输出3.3mA的电流，就能控制LED灯输出100mA的电流。

多发射极三极管

本质是一个与门。

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右侧集电极C始终为高电平1，基极B也始终为高电平1，当左侧集电极有一个为低电平0零时，就可以导通，会产生很小的压差。Vo等效于低电平。 下图中AB与Y是“与”的关系，Y与T’是“非”的关系。Y上加横线读作Y bar，bar就是横线的意思。

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CMOS

互补式金属氧化物半导体（英语：Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，缩写作 CMOS；简称互补式金氧半导体）

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TTL静态电流损耗太大，鉴于此，发明了速度相对较慢，但静态电流为0的CMOS逻辑电路。 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，缩写作 CMOS；简称互补式金氧半导体。 互补是因为N型MOS和P型MOS同时出现在了电路中。 常用于金氧半场效应管的电路符号有多种形式，最常见的设计是以一条垂直线代表沟道（Channel），两条和沟道平行的接线代表源极（Source）与漏极（Drain），左方和沟道垂直的接线代表栅极（Gate），如下图所示。有时也会将代表沟道的直线以虚线代替，以区分增强型（enhancement mode，又称增强式）金氧半场效应管或是耗尽型（depletion mode，又称耗尽式）金氧半场效应管。 由于集成电路芯片上的金氧半场效应管为四端器件，所以除了源极（S）、漏极（D）、栅极（G）外，尚有一基极（Bulk或是Body）。金氧半场效应管电路符号中，从沟道往右延伸的箭号方向则可表示此器件为n型或是p型的金氧半场效应管。箭头方向永远从P端指向N端，所以箭头从沟道指向基极端的为p型的金氧半场效应管，或简称PMOS（代表此器件的沟道为p型）；反之则代表基极为p型，而沟道为n型，此器件为n型的金氧半场效应管，简称NMOS。在一般分布式金氧半场效应管器件中，通常把基极和源极接在一起，故分布式金氧半场效应管通常为三端器件。而在集成电路中的金氧半场效应管通常因为使用同一个基极（common bulk），所以不标示出基极的极性，而在PMOS的栅极端多加一个圆圈以示区别。

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输入输出特性

(VCC=5V) 输入：

• 高：>=3.5V
• 低：<=1.5V

输出：

• 高：>=4.45V
• 低：<=0.5V

满幅输出

这是一个CMOS与非门，它的作用与上面的TTL与非门完全相同。

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CMOS与非门中的半导体器件都是MOS管，MOS管的静态功耗接近于0，所以它可以在芯片里面大规模集成。 当输入同时为高电平时，MOS管的导通情况是这样的：此时输出的电平接近0V。

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只要有一个输入为低电平时，Y就可以输出高电平。这时T1导通，由于T1的导通阻抗非常低，我们可以认为输出的电平为5V，这就是CMOS的满幅输出输出特征。

可直接驱动TTL

我们使用的单片机是CMOS器件，而与电脑通讯的却是TTL转USB。 CMOS器件能直接通讯TTL吗？当然可以！ CMOS输出的高电平接近5V，低电平接近0V，而TTL的输入高电平大于2V，低电平小于0.8V。这样看CMOS是可以直接驱动TTL的。

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