[轉] 電路常識性概念（3）-TTL與CMOS集成電路

目前應用最廣泛的數字電路是TTL電路和CMOS電路。

1、TTL電路

TTL電路以雙極型晶體管為開關元件，所以又稱雙極型集成電路。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行電傳導的器件。

它具有速度高（開關速度快）、驅動能力強等優點，但其功耗較大，集成度相對較低。

根據應用領域的不同，它分為54系列和74系列，前者為軍品，一般工業設備和消費類電子產品多用後者。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：74××（標準）、74S××（肖特基）、74LS××（低功耗肖特基）、74AS××（先進肖特基）、74ALS××（先進低功耗肖特基）、××（高速）、其邏輯功能完全相同。

2、 CMOS電路

MOS電路又稱場效應集成電路，屬於單極型數字集成電路。單極型數字集成電路中只利用一種極性的載流子（電子或空穴）進行電傳導。

它的主要優點是輸入阻抗高、功耗低、抗干擾能力強且適合大規模集成。特別是其主導產品CMOS集成電路有著特殊的優點，如靜態功耗幾乎為零，輸出邏輯電平可為VDD或VSS，上升和下降時間處於同數量級等，因而CMOS集成電路產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：HC為CMOS工作電平；HCT為TTL工作電平（它可與74LS系列互換使用）；HCU適用於無緩衝級的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系列可以說是我們平時接觸的最多的芯片，74系列中分為很多種，而我們平時用得最多的應該是以下幾種：74LS，74HC，74HCT這三種

                                      輸入電平                    輸出電平

    74LS                 TTL電平                      TTL電平

    74HC                COMS電平                 COMS電平

    74HCT              TTL電平                      COMS電平

另外，隨著推出BiCMOS集成電路，它綜合了雙極和MOS集成電路的優點，普通雙極型門電路的長處正在逐漸消失，一些曾經佔主導地位的TTL系列產品正在逐漸退出市場。CMOS門電路不斷改進工藝，正朝著高速、低耗、大驅動能力、低電源電壓的方向發展。BiCMOS集成電路的輸入門電路採用CMOS工藝，其輸出端採用雙極型推拉式輸出方式，既具有CMOS的優勢，又具有雙極型的長處，已成為集成門電路的新寵。

3、 CMOS集成電路的性能及特點

        功耗低

CMOS集成電路採用場效應管，且都是互補結構，工作時兩個串聯的場效應管總是處於一個管導通另一個管截止的狀態，電路靜態功耗理論上為零。實際上，由於存在漏電流，CMOS電路尚有微量靜態功耗。單個門電路的功耗典型值僅為20mW，動態功耗（在1MHz工作頻率時）也僅為幾mW。

       工作電壓範圍寬

CMOS集成電路供電簡單，供電電源體積小，基本上不需穩壓。國產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"分別接近於電源高電位VDD及電源低電位VSS。當VDD=15V，VSS=0V時，輸出邏輯擺幅近似15V。因此，CMOS集成電路的電壓利用係數在各類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%。

隨著電源電壓的增加，噪聲容限電壓的絕對值將成比例增加。對於VDD=15V的供電電壓（當VSS=0V時），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電阻構成的保護網絡，故比一般場效應管的輸入電阻稍小，但在正常工作電壓範圍內，這些保護二極管均處於反向偏置狀態，直流輸入阻抗取決於這些二極管的洩露電流，通常情況下，等效輸入阻抗高達103~1011Ω，因此CMOS集成電路幾乎不消耗驅動電路的功率。

        溫度穩定性能好

由於CMOS集成電路的功耗很低，內部發熱量少，而且，CMOS電路線路結構和電氣參數都具有對稱性，在溫度環境發生變化時，某些參數能起到自動補償作用，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 ~ +；塑料封裝的電路工作溫度範圍為-45 ~ +。

        扇出能力強

扇出能力是用電路輸出端所能帶動的輸入端數來表示的。由於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集成電路用來驅動同類型，如不考慮速度，一般可以驅動50個以上的輸入端。

        抗輻射能力強

CMOS集成電路中的基本器件是MOS晶體管，屬於多數載流子導電器件。各種射線、輻射對其導電性能的影響都有限，因而特別適用於製作航天及核實驗設備。

        可控性好

CMOS集成電路輸出波形的上升和下降時間可以控制，其輸出的上升和下降時間的典型值為電路傳輸延遲時間的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，所以易於被其他電路所驅動，也容易驅動其他類型的電路或器件。

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

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

CMOS—Complementary Metal-Oxide Semiconductor互補型金屬氧化物半導體晶體管

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Q：為什麼BJT比CMOS速度要快?

A：很多人只知道BJT比CMOS快，但不知道為什麼。
     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的跨導要高於MOS的，速度快於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。

     但並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於表面遷移率。