如何实现TTL和CMOS之间的电平转换

步骤1：TTL集成电路

TTL IC - 双极逻辑系列的成员 - 最初是在1960年代开发的并由晶体管制成，因此名为 Transistor-Transistor Level（TTL）器件。最初的产品线是74xx系列，后来被性能更好的TTL设备所取代，例如 74LSxx ， 74ALSxx 和 74Fxx 系列。 LS是低功率肖特基，ALS是高级LS ，F是 Fast 。 TTL系列产品经过了周到的改进，首先是74H，它提供了原始74xx系列速度的两倍，但功耗却超过了两倍。接下来的改进是74L，它增加了所有内部电阻，导致功耗的净改善，但增加了传播延迟。

74S系列的一个关键改进是将肖特基二极管放置在基极 - 集电极结点上晶体管电容效应降低，速度提高了5倍，功耗增加了约2倍。上面提到的74LSxx线是从该系列中得出的，并且功耗降低了大约1/3。 74ALSxx进一步提高了性能。基于新技术的74F系列减少了传播延迟，甚至进一步缩小了IC的尺寸。

步骤2：CMOS集成电路

有一种替代TTL IC大约在同一时间开发，这些类型的IC被称为CMOS（互补MOSFET），因为它包含和使用了高阻抗MOSFET。 MOS电路的高阻抗大大降低了电路的功耗。这些CMOS系列被称为4000系列，并具有4019和4027等名称。

CMOS线还具有较宽的工作电压范围（3V至18V），并且对电压的特定要求意味着HIGH和LOW，用于输入和输出到其他集成电路或数字电路（稍后将介绍）。 4000系列虽然能够提供更大的功率要求，但却比TTL产品要慢得多，并且特别容易受到静电放电的影响，很容易被静电损坏。

CMOS系列取得了一些进展。 74Cxx系列与同名的TTL IC（即74138 = 74C138）引脚兼容。此外，后来又推出了74HC和74HCTxx系列的CMOS IC。这条高速CMOS（HC）线路也与TTL系列引脚兼容，但仍使用与之前CMOS电路相同的电压供应和逻辑电压设置。 74HCTxx系列是高速CMOS，但与TTL对应电压兼容。最后，开发了“高级CMOS” 74ACxx系列，其处理速度可与74F TTL生产线相媲美。

今天，您选择的主要依据是设计的可用性，成本和电压要求。但是，如果您“混合和匹配” CMOS和TTL IC，则仍然存在兼容性问题，因为每个逻辑系列都定义了高电压和低电压，并且它们通常不兼容，只是重叠很小。这对我们意味着什么？我们可能会很幸运，但这没有任何意义，但是对于我们大多数人来说，这意味着我们必须以某种方式进行设计，以在称为“电压电平转换”的过程中匹配每个逻辑系列的逻辑电压要求，或只是级别转移。

第3步：问题定义：等级转换

每个逻辑系列定义了它认为高或低的适当阈值。这个选择有些武断，他们确实做到了。通常，LOW是幅度为零到一伏的信号。 HIGH变化最大，是我们当前电平转换惊愕的原因。 TTL系列允许将2V - 5V的差值计为高电平，并将HIGH的输出阈值定义为2.7V至5V。在CMOS系列中，想要定义HIGH的输入必须在3.5V和5V之间。但是TTL只需要带2.7V，差不多有几伏特对TTL有效，对CMOS无效。这是一个TTL芯片想要发送高电平并在某个模糊范围内的某个地方，这个范围对于CMOS HIGH无效但是对于TTL。

答案是电平转换。这是主动将信号电压调低或调高以匹配目标IC的行为。我发现最有用的是从3.3V信号转换到5V。

步骤4：使用齐纳二极管

对于从5V到3.3V的单向转换，您不会像使用齐纳二极管那样获得更简单，更直接（也更便宜）的解决方案。找到符合您的电压要求的齐纳二极管，两个常见的是1N4733A（5.1V）和1N5226（3.3V）。您需要匹配您的功率；这些是0.5W二极管。通过在齐纳二极管之前串联一个负载电阻，并将齐纳二极管接地，可以确保通过齐纳二极管的电压达到或略低于齐纳二极管的齐纳电压（Vz）。齐纳二极管。在下面的示例图片中，您可以看到输入5V信号输出3.18V信号。

在第二个示例中，我在从10V降压后“调节”5.1V。请勿将其与恒定电流/电压调节相混淆。这最好用作几乎没有负载的信号。

步骤5：使用AT晶体管升压电压

当你有一个3V高电平输入并需要将其升压到5V高电平输入时，没有什么比使用晶体管的成本，简易性和简单性更好。我提供了使用晶体管的两种不同电路，供您仔细阅读。两者都将升高3.3V至约5V。您可能想要使用电阻值来使您正在使用的晶体管达到完全饱和。请注意第二个示例中的分压器网络。我发现10k欧姆的电阻可以产生最接近5V的最佳值而不会过去。您的里程可能会有所不同。

第6步：电平转换：逆变电路

这里的想法是使用以目标电压供电的IC作为信号幅度升高的源。在这种情况下，我使用了4069六角逆变器IC。您也可以使用74HC04或您选择的一个。我使用两个逆变器（这个IC中有六个）来接收信号并将输出升压到IC的Vcc。选择两个反相器是没有魔术的：它们反相，所以我希望HIGH输入保持HIGH输出而不是反相。

相同的想法可以应用于八进制和十六进制行缓冲区而不必反相，这是如果您有多个来自MCU或其他逻辑系列IC的信号元素并且都应用了相同的操作（即，所有信号元素都被上调或下调），则很有用。

步骤7：电平转换：八路总线收发器

这里的想法与逆变器相同，只是我们没有反转信号。我们使用芯片电压作为输出的Vcc，因此您可以使用3.3V或5V为其供电，具体取决于您使用的芯片，输出引脚将在该电压下供电。换句话说，3.3V IN = 5V OUT，反之亦然。这里的一些IC选项是74 * 241，74 * 244，74 * 245。您也可以使用4050十六进制同相缓冲器或您选择的任何其他缓冲器。在我的例子中，我使用4050.

步骤8：专用IC：CD4504电平转换器

此IC是用于TTL到CMOS和CMOS到CMOS的CMOS六角电压电平转换器。从数据表：

CD4504B十六进制电压电平转换器由六个电路组成，这些电路将输入信号从Vcc逻辑电平转换到Vdd逻辑电平。要将TTL信号移至CMOS逻辑电平，SELECT输入处于Vcc HIGH逻辑状态。当SELECT输入处于LOW逻辑状态时，每个电路都会将信号从一个CMOS电平转换为另一个CMOS电平。

请检查下图或检查数据手册中的引脚排列。基本上，您的待移位信号可能位于A IN 上，它将被移位并重新放回A OUT 。 B IN 和B OUT 等相同。

步骤9：专用IC：MAXIM MAX3390

使用较低功率的IC和具有较高功率VCC的VCC电源VL。

相应地连接信号：

IVL1至OVL1

IVL2至OVCC2

IVL3至OVCC3

IVL4至OVCC4

请记住，以“I”开头的引脚“是要进行电平转换的输入信号。以字母“ O”开头的引脚是经过电平转换并准备好读取和/或使用的输出信号。

步骤10：检查

为自己尝试一些这样的电路，这样下次你必须考虑混合CMOS和TTL时，电平转换信号的想法不会给你带来麻烦。有时设计或经济学需要这种混合，现在混合这两者不应该是任何问题。

责任编辑：wv