CMOS电路与其它器件的接口技术(下)

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CMOS驱动MOS型器件(PMOS、NMOS等)时,由于MOS型器件的输入阻抗很高,吸收电流极少,故仅需考虑电平适配问题。但当CMOS驱动双极型器件(TTL、HTL等)时,因双极型器件大多需要较大的输入电流,所以必须同时考虑电平和电流的适配问题。为便于分析电平适配问题,图1给出了适用于“CMOS驱动其他器件”的适配图,阅图方法类似于上文,在此不再多述。至于电流适配问题,我们将在以下接口实例的分析中予以介绍。

图1
图1 🔍原图 (813×639)

1、CMOS驱动TTL或LSTTL:由图1可见,当CMOS的V\(_{DD}\)=5V时,其VOH、V\(_{OL}\)完全适合于TTL或LSTTL,故电平适配不成问题。关于电流问题,从附表可以看出: TTL的低电平输入电流IiL为1.6mA,高电平输入电流I\(_{iH}\)为O.04mA;LSTTL的IiH为0.4mA,I\(_{iH}\)为0.02mA,而VDD=5V时,CMOS的输出电流为I\(_{OH}\)= IOL=1.5mA。很显然,在CMOS输出高电平时,它的输出电流I\(_{OH}\)要驱动TTL或LSTTL的IiH是足足有余的;但当输出低电平时,情况就不同了,这时约可驱动3~4个LSTTL门,勉强驱动一个TTL门(若是过渡部标C000系列CMOS电路,则驱动不了TTL,仅能勉强驱动一个LSTTL门)。因此,如在实用中遇到CMOS的驱动能力不能满足要求时,应增设驱动电流大的接口电路。现在有专用于CMOS→TTL的接口器件,型号为C4009、C4010、C4049和C4050等。其中,C4009和C4049是6反相缓冲变换驱动器;C4010和C4050为6同相缓冲变换驱动器;C4009和C4010是双电源电路,即器件有两个电源端,分别接CMOS和TTL所用的两级电源;C4049和C4050是单源电路,与TTL共用一组电源。采用这类接口电路,约可驱动3~4个TTL门或10~16个LSTTL门。图2和图3分别示出了这类器件的接口实例。它们同样适用于CMOS的V\(_{DD}\)=6~18V的电路。

图2
图2 🔍原图 (418×646)
图3
图3 🔍原图 (382×636)

应当注意的是,当用双电源接口器件(图2)时,为防止V\(_{CC}\)回路电流过大而损坏器件,必须先接通VDD再接V\(_{CC}\);或者在VDD端中串入一只阻流二极管DZ,见图。

2、CMOS驱动HTL,CMOS驱动HTL时,CMOS的V\(_{DD}\)用15V较为合适,这样不但可以与HTL共用电源,而且可使VOH、V\(_{OL}\)及IiH、I\(_{iL}\)均能满足HTL的要求,均可带动4~5个HTL门。连接电路见图4,系属直接接口。

图4
图4 🔍原图 (727×250)

3、CMOS驱动PMOS:CMOS驱动PMOS时,只要选CMOS的电源电压大于10V,就能满足PMOS对输入电平的要求。具体应用按图5直接接口。一般来说,CMOS的电源电压选10~12V较好。

4、CMOS驱动NMOS:CMOS驱动NMOS通常有以下两种情况。

(1)当NMOS是双电源器件时,CMOS的V\(_{DD}\)常用12V,以与NMOS相配,这时两者可直接接口。

(2)若NMOS是单电源或三电源器件,在CMOS用5V电源的情况下,可直接接口;如果CMOS的V\(_{DD}\)=12V,则需用CMOS→TTL电平变换器接口,具体电路与图3相似,这里不再画出。

5、CMOS驱动HCMOS:一般在CMOS用5V电源时,可直接接口。

6、CMOS驱动LED(发光二极管)或SCR(可控硅):CMOS在V\(_{DD}\)=5V~15V时,对应的输出电流为1.5~6.8mA,短路输出电流是5~30mA。而一般中、小功率可控硅的触发电流约在10mA以下,因此CMOS可以直接驱动可控硅,具体电路如图6所示。若需要更大的驱动电流,也可通过晶体管放大来提高驱动能力。

图5
图5 🔍原图 (805×318)

用部标C4000系列(或国标CC4000)CMOS电路来直接驱动LED也是可以的。由于LED的工作电流一般在2~10mA,通常有5mA就能发出明显的色光,有些发光效率高的LED在2mA的工作电流下也能发出较亮的光。由此可见,若CMOS的V\(_{DD}\)=10~18V,则足可以驱动一般的LED。

应当说明,用CMOS驱动LED时,要在LED回路串入限流电阻,见图7和图8。这是因为当CMOS的V\(_{D}\)D为10V时,其输出短路电流可达20mA左右,若不串限流电阻,极易导致LED或CMOS受损或烧坏。图7是当CMOS输出低电平时CED点亮的电路,图8是CMOS输出高电平时LED点亮的电路。图7中的R的值可通过公式R=(VDD-V\(_{OL}\)-VLED)/I\(_{LED}\)求出,力8中的R通过公式R=(VOH-V\(_{LED}\))/ILED求出。两式中的VLED和ILED分别是LED的工作电压和电流。

如果在低电源电压下工作的CMOS要驱动大电流的LED,或者使用驱动能力较差的COOO系列CMOS器件来带动LED,此时就可能难以获得较明亮的色光,解决的办法是加晶体管放大电路来完成。

7、CMOS驱动晶体管:通过晶体管的放大,可使CMOS的驱动能力大大扩展,以致原来CMOS不能驱动的器件,如大电流的可控硅、LED、电磁铁、继电器和灯泡等,都可由CMOS来带动。所用晶体管电路大多采用共发射极形式,见图9。图中的R\(_{1}\)可由公式R1=(V\(_{OH}\)-VBE)β/I\(_{L}\)决定。式中,VBE是晶体管BG的发射结电压,β为BG的电流放大系数,I\(_{L}\)系负载电流。应用这个电路时,应先根据负载(电压和电流)的要求来选定VCC和BG,然后按Ib=I\(_{L}\)/β估算一下Ib是否在CMOS的驱动电流能力之内。若超出,应改换β值高的管子。若相差太大,则要用复合管(达林顿管)。国产复合管有FH7~FH11几个品种可按需选用。若没有现成的复合管,也可用图10所示电路代替。(铁奇)

图6
图6 🔍原图 (798×367)