CMOS 與 TTL 的差異:比較邏輯 IC 系列

TTL(電晶體-電晶體邏輯)以雙極性電晶體構成閘,自 1960 年代起就是標準的數位系列。CMOS 以互補式 MOS 電晶體構成閘,其後幾乎在所有場合都取代了 TTL。最大的差異在於功率。CMOS 閘在沒有切換時幾乎不流過電流,TTL 閘則總是流過電流。CMOS 的電源電壓範圍也較寬,雜訊邊限較大,一顆晶片上可以整合數十億個。

項目TTLCMOS
電晶體雙極性電晶體。輸入使用多射極電晶體互補式的 nMOS 與 pMOS 電晶體
靜態耗電量大。待機中也有電流流過非常小。只有漏電流
電源電壓固定 5 V(約 ±5%)範圍廣。依系列不同,約從 1 V 到 15 V
邏輯準位Low 約 0.8 V 以下,High 約 2.0 V 以上電源電壓的約 30% 與 70%
雜訊邊限小(約 0.4 V)大(電源電壓的約 30%)
輸出的振幅無法完全到達電源軌從接地到電源完全擺動
輸入有電流流過。未連接的輸入會成為 High幾乎沒有電流流過,但未使用的輸入必須固定在某個電位
速度當時很快(74S、74F 等)在現代系列中同等或更快
整合密度低。因為功率大非常高。是 VLSI 的基礎
主要用途舊系統、教育、老舊的設備包含處理器與記憶體在內,現代幾乎所有的數位晶片

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

TTL
主要見於舊設計,以及老舊設備的修理。
CMOS
在幾乎所有新的數位設計中,都是首選的方式。
混用
也有像 74HCT 這樣能接受 TTL 輸入準位的 CMOS 系列,可以與舊的 TTL 零件連接。

常見問題

為什麼 CMOS 的耗電量比 TTL 小?

CMOS 閘在沒有切換時,互補的兩個電晶體必有一個關閉,所以幾乎沒有電流流過。TTL 閘則總是流過電流。

74HCT 是什麼?

支援 TTL 輸入準位的 CMOS 系列。可以與舊的 TTL 零件連接。

未使用的 CMOS 輸入需要連接嗎?

需要。CMOS 的輸入幾乎不流過電流,若不連接,輸入會浮接,造成不穩定的動作與多餘的耗電。請連接到接地或電源。

TTL 現在還在使用嗎?

幾乎不再使用。舊設計與老舊設備中仍可見到,但現代幾乎所有的數位晶片都使用 CMOS。

理解度檢測

以雙極性電晶體構成的代表性邏輯IC系列是哪一個?

  1. ATTL
  2. BCMOS 4000系列
  3. CNMOS邏輯
查看答案與解析

正確答案:A. TTL

TTL(Transistor-Transistor Logic)是在輸入使用多射極雙極性電晶體的邏輯IC,自1960年代起以7400系列成為數位電路的標準。電源為5 V,輸入約0.8 V以下判定為L,約2 V以上判定為H。由於靜態時也有電流流過,耗電量大,現在以CMOS為主流,但具有TTL位準輸入的74HCT等CMOS邏輯仍留有其遺跡。

在 CMOS 電路中,若其他條件不變,只將電源電壓減半,動態功耗會如何變化?

  1. A不變
  2. B變為 1/2
  3. C變為 1/4
查看答案與解析

正確答案:C. 變為 1/4

CMOS 的動態功耗為 P = αCV²f,與電源電壓的平方成正比,因此電壓減半會變為 1/4。不過電壓降低後,電晶體的電流會減少而變慢,無法以相同頻率運作。即便如此,若同時降低頻率與電壓,功耗會以接近三次方的幅度下降,因此以 DVFS 在處理較輕時降低電壓與頻率,是最有效的省電手段。

前往邏輯電路的練習題

相關名詞的解說

CMOS
將 nMOS 與 pMOS 互補組合的電路方式。穩態時幾乎沒有貫穿電流,消耗功率小。

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