高速电路中逻辑器件应用要点

目录

一、逻辑器件总结

TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS逻辑电平

（1）TTL与CMOS的特征比较

(2)阈值定义逻辑电平:

(3)逻辑器件之间的互连

二、逻辑器件分类

三、与逻辑器件相关的案例分析

案例1：逻辑器件驱动能力过强，导致信号振铃

案例二：同一型号逻辑器件的差异PHY配制错误

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一、逻辑器件总结

TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS逻辑电平

TTL和CMOS是最常见的逻辑电平，LV_是他们的低电平版本(大概是low volt）。

（1）TTL与CMOS的特征比较

TTL： 晶体管逻辑，流控器件，输入电阻小，速度快，但功耗大；

CMOS：MOS输入电阻大，设备速度慢，但功耗小，同时由于输入阻抗大，外小的外部干扰也可能导致电平翻转，所以CMOS设备上未使用的引脚应做上下拉处理，不能浮空。

(2)阈值定义逻辑电平：

四个阈值： V_OH, V_OL, V_IH, V_IL 它们是判断高低电平的标准。

例如，如果输出高电平，电平的振幅应高于V_OH；输出低电平时，应低于V_OL; 输入同理。

CMOS和TTL阈值示意图：

(3)逻辑器件之间的互连

a、直接互连

不同的逻辑电平阈值不同，设备可能无法直接相互作用互连，满足以下条件：

1、发送方V_OH大于接收方V_IH，并且有一定的噪声容量；2.发送方V_OL小于接收方V_IL，并且有一定的噪声容量。

例如，在上图中，CMOS作为发送方和接收方TTL连接（4.44>2.0, 0.5<0.8)。同样，同一个装置无疑可以满足互连条件。

b、间接互连

(1)使用电平转换芯片，如74ACT16245可支持TTL和COMS电平的转换

（2）使用OC(集电极开路)门或OD(漏极开路)门 ，如图

(3)高逻辑电平驱动低逻辑电平时，可串联50~330Ω电阻实现转换，如图

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二、逻辑器件分类

根据工艺不同：

Bipolar（双极型）：TTL特点是速度快、驱动能力强、功耗大。

CMOS(补充金属氧化物半导体)：由现场效应管组成的集成电路功耗低，集成度高，但驱动能力和速度比Bipolar差。

BICMOS（Bipolar CMOS）：两者结合，以CMOS工艺为主，CMOS充当高集成低功耗的核心部分；Biopolar电路作为输入/输出接口，增加其速度快、驱动能力强的优点。

Biopolar和CMOS例如，当温度下降时，许多特性会发生相反的变化，CMOS减少传输延迟，Biopolar随着温度的升高，CMOS增加了设备的传输时间，Biopolar也增大。

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三、与逻辑器件相关的案例分析

        案例一：逻辑器件驱动能力过强造成信号振铃

        问题：某电平为LVTTL的总线采用74LV16245作为信号驱动器，测试中发现振铃过大，最大过冲达到4.3V，超过负载端器件的最大输入电平要求。

        解析：LVT系列驱动能力很强，其I_OL和I_OH分别为64mA\-32mA。(输出高电平，流出逻辑器件电流为负——拉电流，输出低电平，流入为正——灌电流)。优点：传输距离远，驱动强；缺点：驱动太强导致接收端振铃。解决：在输出端串联电阻，实现阻抗匹配。（如果每个输出端都增加电阻会大大增加面积，可以选择内部带有电阻的逻辑器件型号）

补充：拉电流和灌电流

        案例二：同一型号逻辑器件的差异性导致PHY配制错误

        问题：某PHY芯片利用复位信号无效时的上升沿采样数据总线的状态，根据总线信号的逻辑状态来完成上电配置。调试时发现偶尔在PHY上电完成后状态出错。

        解析： 设计中，复位信号和数据总线分别经过了不同的74LVT164245驱动，通过多次测量抓取出错时的信号时序，发现复位信号沿采样的数据总线信号状态不正确。原因：74LVT164245的传输时延参数t_pd，其最小值是1ns，最大值是4.1ns。同一型号的器件，传输时延也存在一定差异，对于时序要求高的应用，要尽量采取同样的驱动路径。

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结束啦！！

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