TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS逻辑电平介绍及其互连
TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS逻辑电平介绍及其互连
在数字电路设计中，TTL、CMOS、LVTTL和LVCMOS是最常见的逻辑电平标准。本文将详细介绍这些逻辑电平的特点及其互连方法，帮助工程师和技术人员更好地理解和应用这些技术。
TTL（晶体管-晶体管逻辑）和CMOS（互补金属氧化物半导体）逻辑电平被广泛认可，是数字电路设计中最常见的两种逻辑电平。LVTTL（低电压TTL）和LVCMOS（低电压CMOS）则是它们的低电平版本。
TTL由于晶体管是流控器件，且输入电阻较小，因此TTL电平的器件速度较快，但功耗较大。CMOS由于MOS管是压控器件，且输入电阻极大，因此CMOS电平的器件速度较慢，但功耗较小。同时，由于CMOS器件输入阻抗很大，外界微小的干扰就可能引起电平的翻转，因此在CMOS器件上未使用输入引脚应该做上下拉处理，避免浮空。
再来看常用的三种集成电路工艺：Bipolar（双极型）、CMOS(互补氧化物半导体)、BiCMOS(Bipolar CMOS)。
Bipolar是由双极性晶体管组成集成电路，如TTL电路就属于此类，特点是速度快，驱动能力强，但功耗较大。
CMOS是由场效应管构成的集成电路，特点是功耗低，集成度高，但驱动能力和速度比Bipolar差。
随着集成电路的高速发展，单板密度、功耗和运算速度越来越大，以上两种都已经不能满足设计要求，需要采用新的工艺——BiCMOS。
BiCMOS主要有以下两种优势：
- 以CMOS工艺为主，CMOS电路充当高集成度和低功耗的电路核心，用Bipolar电路充当输入/输出接口，充分发挥Bipolar和CMOS的优势，同时具有速度快、驱动能力强和低功耗、集成度高的优点；
- 随着工作温度和工作电压的变化，CMOS器件和Bipolar 器件的许多特性都会发生变化，且对于许多特性参数， CMOS和Bipolar器件的变化方向是相反的。例如，传输延时参数，随着温度的降低，CMOS 器件的传输延时减小，而Bipolar器件的传输延时增大；随着温度的升高CMOS器件的传输延时增大，Bipolar 器件的传输延时虽然也增大，但增加的幅度小于CMOS器件。BiCMOS 工艺将Bipolar和CMOS这两种具有互补特性的工艺结合在一起， 使得器件参数随工作电压和工作温度的变化曲线较平缓，提高了器件的性能。
需要注意的是，Bipolar工艺的逻辑器件接口电平一般是TTL或者LVTTL。CMOS工艺的逻辑器件接口电平可能是CMOS、TTL、LVTTL等类型。Bipolar工艺的器件为提高接口速率和输出能力，输入输出接口一般往往是TTL或LVTTL。
常用逻辑电平标准的逻辑电平定义如下：
显而易见，CMOS器件可以驱动TTL器件，但是TTL器件想要驱动CMOS器件就不得不采用特殊方法。（上图只是一个示意图，对于具体的逻辑器件应该查阅其数据手册以获得更精确的信息）
实现逻辑电平转换的方法有以下几种：
- 使用电平转换芯片，当存在大量且要求高的信号需要转换时，可以用这种方法；
- 使用OC（集电极开路）门或OD（漏极开路）门实现逻辑电平的转换，如图所示，通过OC门，TTL器件可与CMOS器件相连。OC门和OD门还常被用于低电平驱动高电平的场合；
- 高逻辑电平驱动低逻辑电平时，可以通过在信号线上串联一个电阻产生压降来实现电平的转换，电阻的具体取值需要根据IO口的动态电流进行计算。如图所示，IC1的IO口是5V电平，IC2的IO口是3.3V电平，IC2的IO口驱动电流为20mA，则电阻应该有1.7V压降，计算该电阻阻值为85Ω。
在进行逻辑互连时，除了实现电平转换之外，还应该考虑 器件的驱动能力，时延特性等，这些都会影响到器件的正常工作。