電子電路|TTL與CMOS電路解析-KIA MOS管

TTL與CMOS電路

目前應用最廣泛的數字電路是TTL電路和CMOS電路。

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

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

CMOS—ComplementaryMetal-OxideSemiconductor互補型金屬氧化物半導體晶體管

1、TTL電路

TTL電路以雙極型晶體管（三極管）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

CMOS電路是由絕緣場(chǎng)效應晶體管組成，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(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。

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103~1011?，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。

Q：為什么BJT比CMOS速度要快?

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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