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逻辑电平详细介绍

时间:2011-06-10 20:19:09来源:原创 作者:admin 点击:
逻辑电平详细介绍
逻辑电平有:TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、PECL、LVDS、GTL、BTL、ETL、GTLP;RS232、RS422、RS485等。 

常用逻辑系列器件 
TTL:Transistor-Transistor Logic 
CMOS:Complementary Metal Oxide Semicondutor 
LVTTL:Low Voltage TTL 
LVCMOS:Low Voltage CMOS 
ECL:Emitter Coupled Logic, 
PECL:Pseudo/Positive Emitter Coupled Logic 
LVDS:Low Voltage Differential Signaling 
GTL:Gunning Transceiver Logic 
BTL: Backplane Transceiver Logic 
ETL: enhanced transceiver logic 
GTLP:Gunning Transceiver Logic Plus 
TI的逻辑器件系列有:74、74HC、74AC、74LVC、74LVT等 
S - Schottky Logic 
LS - Low-Power Schottky Logic 
CD4000 - CMOS Logic 4000 
AS - Advanced Schottky Logic 
74F - Fast Logic 
ALS - Advanced Low-Power Schottky Logic 
HC/HCT - High-Speed CMOS Logic 
BCT - BiCMOS Technology 
AC/ACT - Advanced CMOS Logic 
FCT - Fast CMOS Technology 
ABT - Advanced BiCMOS Technology 
LVT - Low-Voltage BiCMOS Technology 
LVC - Low Voltage CMOS Technology 
LV - Low-Voltage 
CBT - Crossbar Technology 
ALVC - Advanced Low-Voltage CMOS Technology 
AHC/AHCT - Advanced High-Speed CMOS 
CBTLV - Low-Voltage Crossbar Technology 
ALVT - Advanced Low-Voltage BiCMOS Technology 
AVC - Advanced Very-Low-Voltage CMOS Logic 

TTL器件和CMOS器件的逻辑电平
:逻辑电平的
要了解逻辑电平的内容,首先要知道以下几个概念的含义: 
1:输入高电平(Vih): 保证逻辑门的输入为高电平时所允许的最小输入高电平,当输入电平高于Vih时,则认为输入电平为高电平。 
2:输入低电平(Vil):保证逻辑门的输入为低电平时所允许的最大输入低电平,当输入电平低于Vil时,则认为输入电平为低电平。 
3:输出高电平(Voh):保证逻辑门的输出为高电平时的输出电平的最小值,逻辑门的输出为高电平时的电平值都
4:输出低电平(Vol):保证逻辑门的输出为低电平时的输出电平的最大值,逻辑门的输出为低电平时的电平值都
5:阀值电平(Vt): 数字电路芯片都存在一个阈值电平,输入电平在阈值上下,也
对于
Voh > Vih > Vt > Vil > Vol。 
6:Ioh:逻辑门输出为高电平时的负载电流(为拉电流)。 
7:Iol:逻辑门输出为低电平时的负载电流(为灌电流)。 
8:Iih:逻辑门输入为高电平时的电流(为灌电流)。 
9:Iil:逻辑门输入为低电平时的电流(为拉电流)。 
门电路输出极在集成单元内不接负载电阻而直接引出
(1): RL (2):RL > (VCC-Vol)/(Iol+m*Iil) 
其中n:线与的开路门数;m:被驱动的输入端数。 
:常用的逻辑电平
・逻辑电平:有TTL、CMOS、LVTTL、ECL、PECL、GTL;RS232、RS422、LVDS等。 
・其中TTL和CMOS的逻辑电平按典型电压可分为四类:5V系列(5V TTL和5V CMOS)、3.3V系列,2.5V系列和1.8V系列。 
・5V TTL和5V CMOS逻辑电平是通用的逻辑电平。 
・3.3V及以下的逻辑电平被称为低电压逻辑电平,常用的为LVTTL电平。 
・低电压的逻辑电平还有2.5V和1.8V两种。 
・ECL/PECL和LVDS是差分输入输出。 
・RS-422/485和RS-232是串口的接口标准,RS-422/485是差分输入输出,RS-232是单端输入输出。
TTL和CMOS的逻辑电平关系
图2-1:TTL和CMOS的逻辑电平图 
上图为5V TTL逻辑电平、5V CMOS逻辑电平、LVTTL逻辑电平和LVCMOS逻辑电平的示意图。 
5V TTL逻辑电平和5V CMOS逻辑电平是很通用的逻辑电平,注意他们的输入输出电平差别较大,在互连时要特别注意。 

JEDEC组织在定义3.3V的逻辑电平标准时,定义了LVTTL和LVCMOS逻辑电平标准。 
LVTTL逻辑电平标准的输入输出电平与5V TTL逻辑电平标准的输入输出电平很接近,从而给
LVCMOS逻辑电平标准是从5V CMOS逻辑电平关注移植过来的,
5V的CMOS逻辑器件工作于3.3V时,其输入输出逻辑电平即为LVCMOS逻辑电平,它的Vih大约为0.7×VCC=2.31V左右,
JEDEC组织

图2-2:低电压逻辑电平标准 
从上图可以看出,3.3V逻辑电平标准的参数其实和LVTTL逻辑电平标准的参数差别不大,只是它定义的Vol可以很低(0.2V),
JEDEC组织还定义了2.5V逻辑电平标准,如上图
低电压的逻辑电平还有1.8V、1.5V、1.2V的逻辑电平。 
、TTL和CMOS逻辑器件
逻辑器件的分类方法有
:TTL和CMOS器件的功能分类
按功能进行划分,逻辑器件可以大概分为以下几类: 门电路和反相器、选择器、译码器、计数器、寄存器、触发器、锁存器、缓冲驱动器、收发器、总线开关、背板驱动器等。 
1:门电路和反相器 
逻辑门主要有与门74X08、与非门74X00、或门74X32、或非门74X02、异或门74X86、反相器74X04等。 
2:选择器 
选择器主要有2-1、4-1、8-1选择器74X157、74X153、74X151等。 
3: 编/译码器 
编/译码器主要有2/4、3/8和4/16译码器74X139、74X138、74X154等。 
4:计数器 
计数器主要有同步计数器74X161和异步计数器74X393等。 
5:寄存器 
寄存器主要有串-并移位寄存器74X164和并-串寄存器74X165等。 
6:触发器 
触发器主要有J-K触发器、带三态的D触发器74X374、不带三态的D触发器74X74、施密特触发器等。 
7:锁存器 
锁存器主要有D型锁存器74X373、寻址锁存器74X259等。 
8:缓冲驱动器 
缓冲驱动器主要有带反向的缓冲驱动器74X240和不带反向的缓冲驱动器74X244等。 
9:收发器 
收发器主要有寄存器收发器74X543、通用收发器74X245、总线收发器等。 
10:总线开关 
总线开关主要
11:背板驱动器 
背板驱动器主要
:TTL和CMOS逻辑器件的工艺分类特点
按工艺特点进行划分,逻辑器件可以分为Bipolar、CMOS、BiCMOS等工艺,其中
Bipolar(双极)工艺的器件有: TTL、S、LS、AS、F、ALS。 
CMOS工艺的器件有: HC、HCT、CD40000、ACL、FCT、LVC、LV、CBT、ALVC、AHC、AHCT、CBTLV、AVC、GTLP。 
BiCMOS工艺的器件有: BCT、ABT、LVT、ALVT。 
:TTL和CMOS逻辑器件的电平分类特点
TTL和CMOS的电平主要有以下几种:5VTTL、5VCMOS(Vih≥0.7*Vcc,Vil≤0.3*Vcc)、3.3V电平、2.5V电平等。 
5V的逻辑器件 
5V器件包含TTL、S、LS、ALS、AS、HCT、HC、BCT、74F、ACT、AC、AHCT、AHC、ABT等系列器件 
3.3V及以下的逻辑器件 
包含LV的和V 系列及AHC和AC系列,主要有LV、AHC、AC、ALB、LVC、ALVC、LVT等系列器件。 
具体

图3-1:TI公司的逻辑器件示例图 
:包含特殊功能的逻辑器件
A.总线保持功能(Bus hold) 
由内部反馈电路保持输入端最后的确定PCB/PCBjishu/" target="_blank" class="infotextkey">PCB空间,降低了器件成本开销和功耗,见图6-3。ABT、LVT、ALVC、ALVCH、ALVTH、LVC、GTL系列器件有此功能。 命名特征为附加了“H”如:74ABTH16244。 

图3-2:总线保持功能图 图3-3:串行阻尼电阻图 
B.串联阻尼电阻(series damping resistors) 
输出端加入串联阻尼电阻可以限流,有助于降低信号上冲/下冲噪声,消除线路振铃,改善信号质量。如图6-4
C.上电/掉电三态(PU3S,Power up/power down 3-state) 
即热拔插性能。上电/掉电时器件输出端为三态,Vcc阀值为2.1V;应用于热拔插器件/板卡产品,确保拔插
D.ABT 器件(Advanced BiCMOS Technology) 
结合了CMOS器件(如HC/HCT、LV/LVC、ALVC、AHC/AHCT)的高输入阻抗特性和双极性器件(Bipolar,如TTL、LS、AS、ALS)输出驱动能力强的特点。
E.Vcc/GND对称分布 
16位Widebus器件的重要特征,对称配置引脚,有利于改善噪声性能。AHC/AHCT、AVT、AC/ACT、CBT、LVT、ALVC、LVC、ALB系列16位Widebus器件有此特征。 
F.分离轨器件(Split-rail) 
即双电源器件,具有两种电源输入引脚VccA和VccB,可分别接5V或3.3V电源电压。如ALVC164245、LVC4245等,命名特征为附加了“4”。

逻辑器件的使用指南
1:多余不用输入管脚的
在多数集成电路芯片的管脚不会
2:选择板内驱动器件的驱动能力,速度,不能盲目追求大驱动能力和高速的器件,应该选择
3:在对驱动能力和速度要求较高的场合,如高速总线型信号线,可使用ABT、LVT系列。板间接口选择ABT16244/245或LVTH16244/245,并在母板两端匹配,在不影响速度的条件下与母板接口尽量串阻,以抑制过冲、保护器件,典型电阻值为10- 200Ω左右,
4:在总线达到产生传输线效应的长度后,应考虑对传输线进行匹配,
始端匹配是在芯片的输出端串接电阻,目的是防止信号畸变和地弹反射,特别当总线要透过接插件时,尤其须做始端匹配。 内部带串联阻尼电阻的器件相当于始端匹配,

应选择正确的终端匹配网络,使总线即使在没有
5:要注意高速驱动器件的电源滤波。如ABT、LVT系列芯片在布线时,建议在芯片的四组电源引脚附近分别接0.1 μ或0.01 μ电容。 
6:可编程器件
7:收发总线需有上拉电阻或上下拉电阻,保证总线浮空时能处于一个有效电平,以减小功耗和干扰。 
8:373/374/273等器件为工作可靠,锁存时钟输入建议串入10-200欧电阻。 
9:时钟、复位等引脚输入往往要求较高电平,必要时可上拉电阻。 
10:注意不同系列器件是否有带电插拔功能及应用设计中的注意事项,在设计带电插拔电路时请参考公司的《单板带电插拔设计规范》。 
11:注意电平接口的兼容性。 选用器件时要注意电平信号类型,对于有不同逻辑电平互连的
12: 在器件工作过程中,为保证器件安全运行,器件引脚上的电压及电流应严格控制在器件手册指定的范围内。逻辑器件的工作电压不要超出它所允许的范围。 
13:逻辑器件的输入信号不要超过它所能允许的电压输入范围,不然
14:对开关量输入应串电阻,以避免过压损坏。 
15:对于带有缓冲器的器件不要用于线性电路,如放大器。 
、TTL、CMOS器件的互连
:器件的互连总则
在公司产品的某些单板上,有时
1:电平关系,
2:驱动能力,
3:时延特性,在高速信号进行逻辑电平转换时,会带来较大的延时,设计时
4:选用电平转换逻辑芯片时应慎重考虑,反复对比。通常逻辑电平转换芯片为通用转换芯片,可靠性高,设计方便,简化了电路,但对于具体的设计电路
对于数字电路
我们在电路设计中经常遇到不同的逻辑电平
・对逻辑电平的影响。应保证合格的噪声容限(Vohmin-Vihmin≥0.4V,Vilmax-Volmax ≥0.4V),并且输出电压不超过输入电压允许范围。 
・对上升/下降时间的影响。应保证Tplh和Tphl满足电路时序关系的要求和EMC的要求。 
・对电压过冲的影响。过冲不应超出器件允许电压绝对最大值,否则有
TTL和CMOS的逻辑电平关系如下图
图4-1: TTL和CMOS的逻辑电平关系图 
图4-2:低电压逻辑电平标准 
3.3V的逻辑电平标准如前面所述有三种,
在下面讨论逻辑电平的互连时,对3.3V TTL/CMOS的逻辑电平,我们就指的是3.3V逻辑电平或LVTTL逻辑电平。 
常用的TTL和CMOS逻辑电平分类有:5V TTL、5V CMOS、3.3V TTL/CMOS、3.3V/5V Tol.、和OC/OD门。 
其中: 
3.3V/5V Tol.是指输入是3.3V逻辑电平,但可以忍受5V电压的信号输入。 
3.3V TTL/CMOS逻辑电平表示不能输入5V信号的逻辑电平,否则会出问题。 
注意某些5V的CMOS逻辑器件,它也可以工作于3.3V的电压,但它与真正的3.3V器件(是LVTTL逻辑电平)不同,比如其VIH是2.31V(=0.7×3.3V,工作于3.3V)(其实是LVCMOS逻辑输入电平),而不是2.0V,因而与真正的3.3V器件互连时工作不太可靠,使用时要特别注意,在设计时最好不要采用这类工作方式。 
值得注意的是有些器件有单独的输入或输出电压管脚,此管脚接3.3V的电压时,器件的输入或输出逻辑电平为3.3V的逻辑电平信号,而当它接5V电压时,输入或输出的逻辑电平为5V的逻辑电平信号,
对于可编程器件(EPLD和FPGA)的互连也要根据器件本身的特点并参考本章节的内容进行

输入
5V TTL 3.3V /5V Tol. 3.3V TTL/CMOS 5V CMOS
输出 5V TTL √ √ ?/FONT> ?/FONT>
3.3V TTL/CMOS √ √ √ ?/FONT>
5V CMOS √ √ ?/FONT> √
OC/OD 上拉 上拉 上拉 上拉
上表中打钩(√)的表示逻辑电平直接互连没有问题,打星号(?/FONT>)的表示要做特别
对于打星号(?/FONT>)的逻辑电平的互连

从上表可看出OC/OD输出加上拉电阻可以驱动
对于其他的不能直接互连的逻辑电平,
TI的AHCT系列器件为5V TTL输入、5V CMOS输出。 
TI的LVC/LVT系列器件为TTL/CMOS逻辑电平输入、3.3V TTL(LVTTL)输出,也可以用双轨器件替代。 
注意:不是
:5V TTL门作驱动源
・驱动3.3V TTL/CMOS 
通过LVC/LVT系列器件(为TTL/CMOS逻辑电平输入,LVTTL逻辑电平输出)进行转换。 
・驱动5V CMOS 
可以使用上拉5V电阻的方式
:3.3V TTL/CMOS门作驱动源
・驱动5V CMOS 
使用AHCT系列器件(为5V TTL输入、5V CMOS输出)进行转换(3.3V TTL电平(LVTTL)与5V TTL电平可以互连)。 
:5V CMOS门作驱动源
・驱动3.3V TTL/CMOS 
通过LVC/LVT器件(输入是TTL/CMOS逻辑电平,输出是LVTTL逻辑电平)进行转换。 
:2.5V CMOS逻辑电平的互连
随着芯片技术的发展,未来使用2.5V电压的芯片和逻辑器件也会越来越多,这里简单谈一下2.5V逻辑电平与其他电平的互连,主要是谈一下2.5V逻辑电平与3.3V逻辑电平的互连。(注意:对于某些芯片,
1:3.3V TTL/CMOS逻辑电平驱动2.5V CMOS逻辑电平 
2.5V的逻辑器件有LV、LVC、AVC、ALVT、ALVC等系列,其中前面四种系列器件工作在2.5V时可以容忍3.3V的电平信号输入,而ALVC不行,
2:2.5V CMOS逻辑电平驱动3.3V TTL/CMOS逻辑电平 
2.5V CMOS逻辑电平的VOH为2.0V,而3.3V TTL/CMOS的逻辑电平的VIH也为2.0V,
EPLD和FPGA器件的逻辑电平
:概述 
首先在选择可编程逻辑器件时,要找符合你所选用的ASSP的IO标准;其次,你
:各类可编程器件接口电平要求
在设计中,若二极管,大于3.3伏的输入高电平会使该钳位二极管出现问题。 
事实上,
对于2.5V的器件,
对于某类器件,如ALTERA公司的FLEX10K系列器件,可支持多电压I/O接口,FLEX10K,FLEX10KA,FLEX10B都可以接不同电源电压系统。w w w . d z i u u . c o m

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