TTL与CMOS电路的区别

TTL与CMOS电路都是目前常用的两种集成电路。前者应用较早，后者虽问世较晚，但发展较快，大有后来者居上、赶超并取代之势。两者各有特点，也有许多区别，下面就来谈谈这些问题。

TTL电路是晶体管一晶体管逻辑电路的英文字头缩写。它由NPN或PNP型晶体管组成，图1为典型的TTL中速与非门电路。由于电路中载流子有电子和空穴两种极性，因而是一种双极型晶体管集成电路。TTL电路有好几种，其中速度最高的是STTL，即肖特基TTL电路，其平均传输时间约3ns，比标准型TTL约快6－7倍；功耗最低的是LSTTL，其功耗不到标准型TTL的十分之一。TTL电路与其它双极型电路相比，在性能、价格上可谓物美价廉，已基本上取代了RTL（电阻一晶体管）电路和DTL（二极管一晶体管）电路，只是在超高速环路中仍要用ECL（发射极耦合）电路。

CMOS电路是互补型金属氧化物半导体电路的英文字头缩写。它由绝缘栅场效应晶体管组成。由于只有一种载流子，因而是一种单极型晶体管集成电路。其基本结构是一个N沟道MOS管和一个P沟道MOS管，如图2所示。由于两管栅极工作电压极性相反，故若将两管栅极相连作为输入端，两个漏极相连作为输出瑞，如图2a，两管正好互为负载、处于互补工作状态。当输入低电平（V\(_{i}\)＝Vss）时，PMOS管导通、NMOS管截止，输出为高电平，如图2b；当输入高电平（V\(_{i}\)=VDD）时，PMOS管截止、NMOS管导通，输出为低电平，如图2C。两管如单刀双掷开关一样交替工作，构成反相器。

由于电路组成的晶体管性质不同，因而在制造工艺上也大不相同。双极型集成电路是在平面晶体管基础上发展起来的，它的基本工艺仍然是平面工艺。但由于电路中除有晶体管外，还要集成二极管、电阻、电容等元器件，因而在制造过程中首先要把各种元器件做在一块基片上，并使它们相互绝缘，最后再按要求将它们联成电路。从制造工艺看，它与平面晶体管的不同，仅是增加了隔离工艺和埋层工艺。图3是经过六次光刻、四次扩散和四次氧化制成的双极型集成电路芯片结构，工艺较复杂。

CMOS电路中的主要组成是金属一氧化物一场效应管，做在同一基片上，其间自然是隔离的，无需专门的隔离措施。图4为CMOS反相器的芯片结构示意图。在制造时首先在N型硅衬底上扩散一P型区，这一P型区通常叫做P阱，也就是N－MOS管的衬底；在P阱内再用扩散法制作两个N型区，以形成N－MOST（N沟道MOS管）。而P－MOST则可直接做在N型硅衬底上。由此可见，CMOS电路比双极型电路制造工艺简单、工序少，且由于节省了隔离槽占用的面积，还可大大提高电路集成度。当然，若与单沟道MOS电路相比，工艺上要稍复杂些，例如它要多用两块光刻板。还需要P阱保护环，因而芯片利用率也要低些。

CMOS和TTL电路的结构、原理及制造工艺均有较大区别，因而其电路特点也有较大差别，表一列出国产TTL和各种MOS电路的四个主要参数，以便于比较。下面将表中的几个参数作些解释。

1．功耗：前已述及，CMOS电路采用互补结构，工作时总是处于一个MOS管导通、另一个MOS管截止状态，因而电路功耗理论上为零。实际上，由于存在硅表面和PN结的泄漏电流，量值约数百毫微安，因而尚有微瓦量级的静态功耗，但相比于TTL电路则要低多了。功耗低，这是CMOS电路的一个突出优点。图5为两种电路的动态功耗电流曲线。由图可见，TTL比CMOS电路功耗大，但随频率提高其功耗所增无几，而CMOS电路的功耗却随频率提高急剧增大，因而CMOS电路宜用于较低频率。

2．抗干扰能力：

抗干扰能力又称噪声容限，它表示电路保持稳定工作所能抗拒外来干扰和本身噪声的能力，可用图6电压传输特性来说明。图中V\(_{iL}\)为本级门最大输入低电平，Vg为关门电平，V\(_{k}\)为开门电平，ViH为最低输入高电平。显然，要保持输出高电平，干扰电压不应超过V\(_{NL}\)＝Vg－V\(_{iL}\)，VNL为下限抗干扰电平，TTL的V\(_{NL}\)约为0.7V；而要保持输出低电平，干扰电压就不应超过VNH=V\(_{iH}\)－Vk，V\(_{NH}\)为上限抗干扰电平，TTL的VNH约1.5V。图6是在电源电压为5V时的典型曲线，由图可知，CMOS曲线比TTL变化陡，其V\(_{gc}\)与Vkc值接近约为2V，且输入、输出电压范围也比TTL大，因而其抗干扰能力较强。

3、工作速度：

电路的工作速度一般用平均传输延迟时间t\(_{pd}\)表示。它说明输出信号比输入信号在时间上落后了多少，也就是信号通过一级门所花费的时间。当然，希望tpd值越小越好。表一中所列t\(_{pd}\)值是在环境温度25℃、供电电压5V同一条件下，对与非门电路的测试值。由表可见，CMOS电路的工作速度比PMOS和NMOS电路要高得多，但比TTL电路要低约一个数量级。前已述及，工作速度的提高在功耗上是要付出代价的，这也就是CMOS电路不宜用于高速控制系统的主要原因。

4．扇出系数：

在实际应用中，要完成复杂的逻辑运算，一个门电路总是要驱动若干个其它门电路的，因而后级门就成为前级门的负载。一个门能驱动的门的个数是有限制的，通常用能驱动同类门的最大个数来表示一个门的负载能力，这个数值叫做扇出系数N\(_{o}\)。影响No的主要因素有二：其一是电路输出管允许的倒灌电流；其二是门电路本身的短路输入电流。由电路结构可知，CMOS电路的输入端是栅氧化膜，其阻抗高达数百兆欧。实际上由于在输入端设置的保护电阻和保护二极管PN结的漏电，使输入阻抗下降到数十兆欧，尽管如此，它比TTL电路要高得多。由于CMOS电路的输入阻抗极高，在级连时几乎不取负载电流，因而其扇出系数要比TTL电路约高出一倍。

1．型号：国外CMOS电路主要有美国无线电公司（RCA）为代表的CD4000B系列和美国国家半导体公司（NSC）为代表的74C00B系列产品。其中4000系列是主流，有约200个品种。美国莫托罗拉半导体公司（MOTA）在4000系列基础上又补充了约90个通用电路品种，即MC14500系列。

CMOS电路的型号命名主要由三部分组成：第一部分是厂名缩写，第二部分是产品序号，第三部分是产品规格。不论哪一家的产品，只要产品序号、规格相同，其功能、外引出线排列及管壳外形尺寸等各方面就相互一致，可以互换。例如TC40llB，其中4011是双输入端四与非门的产品序号；TC是日本东芝公司的厂名缩写；B则表示该产品属于3一18V系列，若换写为A，就表示为3－12V系列产品。若第三部分中写有字母U，即TC40llUBP，就表示电路最后输出无缓冲一级门输出；若写为TC40llBP，则为有缓冲三级门输出。近年来，我国国家标准也采用了国际标准，型号命名一致。例如与TC4011相同的国产电路就写为CC4011，有些厂亦在型号字头冠以厂名，例如北京半导体器件三厂的产品就标为BH4011。

国外TTL电路主要有54／74系列产品。其中54系列为军用产品，在产品性能、体积、功耗及可靠性的设计上主要为满足军事需要，其工作环境温度极宽为-55——＋125℃；74系列为民用产品，是为工业部门提供的一种低成本产品，其工作温度范围为0——75℃。TTL电路的型号命名与CMOS电路大致相同。例如5400或7400是双输入端四与非门的产品序号，美国MOTA公司产品就写为MC5400或MC7400；若为低功耗产品，就在序号中插入LS，写为MC74LS00。我国TTL电路的型号命名国家标准亦与国际标准一致，因而同类产品可以互换。

目前，国内部分电路尚有采用电子工业部颁标准的产品。其型号命名由四部分组成：第一部分是电路类型，TTL电路用字母T，CMOS电路用字母C；第二部分为产品序号，用三位阿拉伯数字表示，例如CO36为CMOS双输入端四与非门；第三部分为电路规格；第四部分为封装形式，例如TO65BC为TTL双输入端四与非门，规格为B档，C表示为陶瓷双列直插封装。由于部标产品的功能、规格和外引线排列很多与国外产品系列不一致，因此互换性差，例如4011与CO36虽都是CMOS双输入端四与非门，功能相同，引出线均为14脚，但排列方法不同，互换时要查对照表调整接线后再接入。

2．外型：TTL与CMOS电路的外形从封装形式分类，有扁平和双列直插两种。从封装材料分类，主要有塑料封装和陶瓷封装两种。图7为几种主要的封装形式，其中图7a为陶瓷扁平封装，图7b为塑封双列直插，图7c为陶瓷封装双列直插。

扁平封装体积较小，安装自由度大，但引出线的装、拆较麻烦；双列直插式体积稍大，但安装方便，可用电路插座，也可适用于自动装、焊。陶瓷封装密封性较好，使用温度范围宽可达一55——＋125℃，可靠性高，但价格较贵；塑料封装密封性、可靠性不如前者，使用温度范围较窄为-40——＋85℃，但成本低。在应用中选用何种封装形式的电路，主要应根据制造设备提出的要求。在进行电路互换、代用时，除了性能、规格上的要求外，还应注意到外形封装上的可能性。(未完待继)(金国钧)