【硬件基础篇】：TTL和CMOS电平_ttl电平
文章目录
- 1. 为什么数字电路需要 “电平规范”？
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- 1.1 什么是 “电平”？
- 2. TTL 电平
- 3. CMOS 电平
- 4. 数字接口匹配
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- 4.1 TTL 驱动 CMOS
- 4.2 CMOS 驱动 TTL
- 5. 电平转换
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- 5.1 3.3V to 5V
- 5.2 5V to 3.3V
1. 为什么数字电路需要 “电平规范”？
这就好比不同国家的人说同一种语言才能交流，电平规范就是数字电路的 “通用语言”，没有它，电路之间就会 “鸡同鸭讲”。
1.1 什么是 “电平”？
在数字电路中，我们用 “高电平” 和 “低电平” 分别表示二进制的 1 和 0。
比如：
- 当芯片的某个引脚电压是 3V 时，可能代表 “1”（高电平）；
- 当电压是 0V 时，代表 “0”（低电平）。
但问题来了：多高算 “高”？多低算 “低”？不同的电路（比如你做的电路板、别人做的芯片）可能有不同的定义。
电平规范的作用：规定一个 统一的 “高 / 低电平电压范围”，让所有电路都按这个标准设计。
假设 A芯片 “电压≥2V 是高电平（1）”，B芯片 “电压≥3V 才是高电平（1）”。
当A芯片输出 2.5V（A认为是 “1”），B芯片却认为这是 “低电平（0）”，结果就是 信号识别错误，电路瘫痪！
电平规范的 “噪声容限”：信号在传输时会受到 噪声干扰（比如电线摩擦、电磁干扰），电压可能会 “抖动”，规定一个 “安全范围”，只要信号在范围内，即使有噪声也不影响判断。
比如：TTL 的高电平输入门槛是 ≥2.0V，而实际输出至少是 2.4V，中间 0.4V 的差距 就是 “容限”，允许噪声在这个范围内波动而不报错。
明确 “驱动能力”，避免电路损坏：规定 输出电流下限（比如 TTL 输出高电平时至少能提供 -400μA 电流）和 输入电流上限（比如 CMOS 输入电流几乎为 0），确保前级电路能 “驱动” 后级电路，不会过载或信号失真。
芯片 A 的输出端最多能提供 10mA 电流，芯片 B 的输入端需要 100mA 才能工作，如果直接连接，B 无法工作。
2. TTL 电平
通过双极型晶体管（BJT）实现的逻辑电平标准，靠晶体管的饱和与截止状态表示逻辑 0 和 1。
- 电源电压（VCC）：5V。
- 输出电平：
逻辑 1（高电平，VOH）：最小值 2.4V。
逻辑 0（低电平，VOL）：最大值 0.4V。 - 输入电平：
识别为 1 的最小输入（VIH）：2.0V。
识别为 0 的最大输入（VIL）：0.8V。 - 噪声容限：
高电平噪声容限：VOH (min) - VIH (min) = 2.4V - 2.0V = 0.4V。
低电平噪声容限：VIL (max) - VOL (max) = 0.8V - 0.4V = 0.4V。
3. CMOS 电平
通过互补的 NMOS 和 PMOS 场效应管（FET）实现的逻辑电平，靠栅极电压控制管子导通 / 截止。
- 电源电压（VDD）：范围宽，常见 5V、3.3V、1.8V、1.2V 等。
- 输出电平（理想情况）：
逻辑 1：接近 VDD（VOH ≈ VDD - 0.1V）。
逻辑 0：接近 0V（VOL ≈ 0.1V）。 - 输入电平（与 VDD 相关）：
识别为 1 的最小输入（VIH）：通常为 0.7×VDD（如 5V 时为 3.5V，3.3V 时为 2.31V）。
识别为 0 的最大输入（VIL）：通常为 0.3×VDD（如 5V 时为 1.5V，3.3V 时为 0.99V）。 - 噪声容限：
高电平噪声容限：VDD - VIH = VDD - 0.7VDD = 0.3VDD。
低电平噪声容限：VIL - 0V = 0.3VDD（比 TTL 更高，抗干扰能力更强）。
4. 数字接口匹配
4.1 TTL 驱动 CMOS
5V TTL → 3.3V CMOS：TTL 输出高电平 2.4V ≥ 3.3V CMOS 的 VIH（2.31V），通常可直接驱动。
5V TTL → 5V CMOS：TTL 输出高电平 2.4V ≥ CMOS 输入高电平 3.5V？ 不满足（5V CMOS 的 VIH=3.5V），需外接上拉电阻到 5V，将 TTL 的 2.4V 提升至 5V。
4.2 CMOS 驱动 TTL
5V CMOS → 5V TTL：CMOS 输出低电平 0.1V ≤ TTL 的 VIL=0.8V，高电平 5V ≥ TTL 的 VIH=2.0V，可直接驱动。
3.3V CMOS → 5V TTL：CMOS 输出高电平 3.3V ≥ TTL 的 VIH=2.0V，低电平 0.1V ≤ 0.8V，可直接驱动。
5. 电平转换
5.1 3.3V to 5V
R1与Q1组成OC门，配合R2上拉至5V，实现电平转换。
in输入0V，Q1导通，out端为0V左右，完成电平转换功能。
in输入3.3V，Q1截止，out端为5V，完成电平转换功能。
5.2 5V to 3.3V
R1与Q1组成OC门，配合R2上拉至3.3V，实现电平转换。
in输入0V，Q1导通，out端为0V左右，完成电平转换功能。
in输入5V，Q1截止，out端为3.3V，完成电平转换功能。
