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TTL、CMOS器件的互連

admin @ 2014-03-26 , reply:0

概述

1:邏輯器件的互連總則   在不同邏輯電平器件之間進行互連時主要考慮以下幾點:電平關係,必須保證在各自的電平範圍內工作,否則,不能滿足正常邏輯功能,嚴重時會燒毀晶元。驅動……

1:邏輯器件的互連總則
    在不同邏輯電平器件之間進行互連時主要考慮以下幾點:

  • 電平關係,必須保證在各自的電平範圍內工作,否則,不能滿足正常邏輯功能,嚴重時會燒毀晶元。
  • 驅動能力,必須根據器件的特性參數仔細考慮,計算和試驗,否則很可能造成隱患,在電源波動,受到干擾時系統就會崩潰。
  • 時延特性,在高速信號進行邏輯電平轉換時,會帶來較大的延時,設計時一定要充分考慮其容限。

    選用電平轉換邏輯晶元時應慎重考慮,反覆對比。通常邏輯電平轉換晶元為通用轉換晶元,可靠性高,設計方便,簡化了電路,但對於具體的設計電路一定要考慮以上三種情況,合理選用。
    對於數字電路來說,各種器件所需的輸入電流、輸出驅動電流不同,為了驅動大電流器件、遠距離傳輸、同時驅動多個器件,都需要審查電流驅動能力:輸出電流應大於負載所需輸入電流;另一方面,TTL、CMOS、ECL等輸入、輸出電平標準不一致,同時採用上述多種器件時應考慮電平之間的轉換問題。
    我們在電路設計中經常遇到不同的邏輯電平之間的互連,不同的互連方法對電路造成以下影響:

  • 對邏輯電平的影響。應保證合格的雜訊容限(Vohmin-Vihmin≥0.4V,Vilmax-Volmax ≥0.4V),並且輸出電壓不超過輸入電壓允許範圍。
  • 對上升/下降時間的影響。應保證Tplh和Tphl滿足電路時序關係的要求和EMC的要求。
  • 對電壓過沖的影響。過沖不應超出器件允許電壓絕對最大值,否則有可能導致器件損壞。

TTL和CMOS的邏輯電平關係如下圖所示:
 
圖1: TTL和CMOS的邏輯電平關係圖
 
圖2:低電壓邏輯電平標準
    3.3V的邏輯電平標準如前面所述有三種,實際的3.3V TTL/CMOS邏輯器件的輸入電平參數一般都使用LVTTL或3.3V邏輯電平標準(一般很少使用LVCMOS輸入電平),輸出電平參數在小電流負載時高低電平可分別接近電源電壓和地電平(類似LVCMOS輸出電平),在大電流負載時輸出電平參數則接近LVTTL電平參數,所以輸出電平參數也可歸入3.3V邏輯電平,另外,一些公司的手冊中將其歸納如LVTTL的輸出邏輯電平,也可以。
    在下面討論邏輯電平的互連時,對3.3V TTL/CMOS的邏輯電平,我們就指的是3.3V邏輯電平或LVTTL邏輯電平。
    常用的TTL和CMOS邏輯電平分類有:5V TTL、5V CMOS、3.3V TTL/CMOS、3.3V/5V Tol.、和OC/OD門。
其中:
3.3V/5V Tol.是指輸入是3.3V邏輯電平,但可以忍受5V電壓的信號輸入。
3.3V TTL/CMOS邏輯電平表示不能輸入5V信號的邏輯電平,否則會出問題。
    注意某些5V的CMOS邏輯器件,它也可以工作於3.3V的電壓,但它與真正的3.3V器件(是LVTTL邏輯電平)不同,比如其VIH是2.31V(=0.7×3.3V,工作於3.3V)(其實是LVCMOS邏輯輸入電平),而不是2.0V,因而與真正的3.3V器件互連時工作不太可靠,使用時要特別注意,在設計時最好不要採用這類工作方式。
    值得注意的是有些器件有單獨的輸入或輸出電壓管腳,此管腳接3.3V的電壓時,器件的輸入或輸出邏輯電平為3.3V的邏輯電平信號,而當它接5V電壓時,輸入或輸出的邏輯電平為5V的邏輯電平信號,此時應該按該管腳上接的電壓的值來確定輸入和輸出的邏輯電平屬於哪種分類。
    對於可編程器件(EPLD和FPGA)的互連也要根據器件本身的特點進行處理。
以上5種邏輯電平類型之間的驅動關係如下表:
 
    上表中打鉤(√)的表示邏輯電平直接互連沒有問題,打星號(?)的表示要做特別處理。
    對於打星號(?)的邏輯電平的互連情況,具體見後面說明。
    一般對於高邏輯電平驅動低邏輯電平的情況如簡單處理估計可以通過串接10-1K歐的電阻來實現,具體阻值可以通過試驗確定,如為可靠起見,可參考後面推薦的接法。從上表可看出OC/OD輸出加上拉電阻可以驅動所有邏輯電平,5V TTL和3.3V /5VTol.可以被所有邏輯電平驅動。所以如果您的可編程邏輯器件有富裕的管腳,優先使用其OC/OD輸出加上拉電阻實現邏輯電平轉換;其次才用以下專門的邏輯器件轉換。對於其他的不能直接互連的邏輯電平,可用下列邏輯器件進行處理。
TI的AHCT系列器件為5V TTL輸入、5V CMOS輸出。
TI的LVC/LVT系列器件為TTL/CMOS邏輯電平輸入、3.3V TTL(LVTTL)輸出,也可以用雙軌器件替代。
注意:不是所有的LVC/LVT系列器件都能夠運行5V TTL/CMOS輸入,一般只有帶後綴A的和LVCH/LVTH系列的可以,具體可以參考其器件手冊。

2:5V TTL門作驅動源
·驅動3.3V TTL/CMOS
通過LVC/LVT系列器件(為TTL/CMOS邏輯電平輸入,LVTTL邏輯電平輸出)進行轉換。
·驅動5V CMOS
可以使用上拉5V電阻的方式解決,或者使用AHCT系列器件(為5V TTL輸入、5VCMOS輸出)進行轉換。

3:3.3V TTL/CMOS門作驅動源
·驅動5V CMOS
使用AHCT系列器件(為5V TTL輸入、5V CMOS輸出)進行轉換(3.3V TTL電平(LVTTL)與5V TTL電平可以互連)。

4:5V CMOS門作驅動源
·驅動3.3V TTL/CMOS
通過LVC/LVT器件(輸入是TTL/CMOS邏輯電平,輸出是LVTTL邏輯電平)進行轉換。

5:2.5V CMOS邏輯電平的互連
    隨著晶元技術的發展,未來使用2.5V電壓的晶元和邏輯器件也會越來越多,這裡簡單談一下2.5V邏輯電平與其他電平的互連,主要是談一下2.5V邏輯電平與3.3V邏輯電平的互連。(注意:對於某些晶元,由於採用了優化設計,它的2.5V管腳的邏輯電平可以和3.3V的邏輯電平互連,此時就不需要再進行邏輯電平的轉換了。)
1)3.3V TTL/CMOS邏輯電平驅動2.5V CMOS邏輯電平
2.5V的邏輯器件有LV、LVC、AVC、ALVT、ALVC等系列,其中前面四種系列器件工作在2.5V時可以容忍3.3V的電平信號輸入,而ALVC不行,所以可以使用LV、LVC、AVC、ALVT系列器件來進行3.3V TTL/CMOS邏輯電平到2.5V CMOS邏輯電平的轉換。
2)2.5V CMOS邏輯電平驅動3.3V TTL/CMOS邏輯電平
2.5V CMOS邏輯電平的VOH為2.0V,而3.3V TTL/CMOS的邏輯電平的VIH也為2.0V,所以直接互連的話可能會出問題(除非3.3V的晶元本身的VIH參數明確降低了)。此時可以使用雙軌器件SN74LVCC3245A來進行2.5V邏輯電平到3.3V邏輯電平的轉換,另外,使用OC/OD們加上拉電阻應該也是可以的。


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