3.2 逻辑器件应用要点

3.2.1 逻辑器件概要

1.TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS逻辑电平介绍及互连

逻辑器件的选型首先是逻辑电平的选择，在传统的单板设计中，TTL 和 CMOS 逻辑电平被广泛应用，是数字电路设计中最常见的两种逻辑电平，LVTTL和LVCMOS是它们的低电平版本，其他的高速电平大多都衍生自TTL和CMOS。

TTL 指晶体管—晶体管逻辑，由于晶体管是流控器件，且输入电阻较小，因此 TTL 电平的器件速度快，但功耗较大；CMOS 是 MOS 管逻辑，由于 MOS 管是压控器件，且输入电阻极大，因此CMOS电平的器件速度较慢，但功耗较小，同时由于CMOS器件输入阻抗很大，外界微小的干扰就可能引起电平的翻转，因此 CMOS 器件上未使用的输入引脚应做上下拉处理，不能浮空。

现实中的信号是连续的模拟信号，而数字信号只有“1”和“0”两种逻辑状态，需使用阈值来定义信号的逻辑状态。下面以图3.5以例，说明信号的逻辑电平定义。

在图3.5中，对每种逻辑电平都定义了四个阈值，即V _OH 、V _OL 、V _IH 、V _IL 。

当逻辑器件输出高电平时，电平的幅值应高于V _OH ，即V _OH 为输出高电平的最小值；

当逻辑器件输出低电平时，电平的幅值应低于V _OL ，即V _OL 为输出低电平的最大值；

当逻辑器件输入高电平时，电平的幅值应高于V _IH ，即V _IH 为输入高电平的最小值。

当逻辑器件输入低电平时，电平的幅值应低于V _IL ，即V _IL 为输入低电平的最大值。

从图 3.5 可以发现，各逻辑电平的阈值并不相同，因此相互间并非可以直接互连。只有同时满足以下条件时，不同逻辑电平的器件才能直接互连。

条件一 ，发送方V _OH 大于接收方V _IH ，且提供一定的噪声容限。

条件二 ，发送方V _OL 小于接收方V _IL ，且提供一定的噪声容限。

例如，当LVTTL电平的器件能承受5V信号的输入时，可以和TTL电平的器件直接互连；CMOS 器件作为发送方，TTL 器件作为接收方，两者可以互连；但 TTL 器件作为发送方，CMOS器件作为接收方时，则不能互连。

相同电平的逻辑器件之间，能自然满足以上两个条件，因此可以直接互连。

需注意，图 3.5 只是一个示意图，对于不同型号的逻辑器件，即使使用同种逻辑电平，阈值也不一定相同，设计中应查阅器件资料以获得各项阈值参数。

对于电平不同，且不能满足直接互连条件的逻辑器件，可采用以下方法实现互连。

方法一 ，使用电平转换芯片。例如，74ACT16245，其输入端为 TTL 电平，输出端为CMOS电平，因此支持TTL到CMOS电平的转换。当存在大量信号需做电平转换时，可采用这种方法。

方法二 ，使用 OC（集电极开路）门或 OD（漏极开路）门实现逻辑电平的转换。如图3.6所示，通过OC门电路，TTL器件可与CMOS器件相连。OC或OD门还常被用于低逻辑电平驱动高逻辑电平的场合。

方法三 ，高逻辑电平驱动低逻辑电平时，可串联 50～330Ω电阻实现电平的转换。如图3.7所示，IC1的I/O接口是3.3V电平，IC2的I/O接口是2.5V电平，可通过串联电阻实现两者的互连，串联电阻的阻值需根据I/O口动态电流进行计算。

电路设计时，通过 JTAG 接口（一种标准的接口，将在第 8 章进行详细介绍），可将单板上的芯片连成一条链路。如果遇到某些芯片的JTAG接口逻辑电平与其他芯片不同，可利用方法二和方法三实现链路的连接。

逻辑器件互连时，除考虑电平转换之外，还应考虑器件的驱动能力、时延特性等，后续章节将有对应内容的讨论。

2.逻辑器件分类

电路设计中，74族逻辑器件的厂家有TI、NXP、Fairchild等。

根据工艺不同，逻辑器件可分为三类：Bipolar（双极型），CMOS（互补金属氧化物半导体）和BiCMOS（Bipolar CMOS）。

Bipolar 是由双极型晶体管组成的集成电路，如 TTL 电路就属于 Bipolar，特点是速度快，驱动能力强，但功耗较大。

CMOS 是由场效应管构成的集成电路，特点是功耗低，集成度高，但驱动能力和速度比Bipolar差。

随着高速电路的发展，单板密度越来越高，功耗越来越大，器件的工作速度也越来越快，Bipolar和CMOS已逐渐不能满足设计的要求，需要采用新的工艺——BiCMOS。

BiCMOS主要具有以下两种优势：

（1）BiCMOS 以 CMOS 工艺为主，CMOS 电路充当高集成度和低功耗的电路核心部分，用Bipolar电路充当输入/输出接口部分，因此可以充分发挥Bipolar和CMOS的优势，同时具有速度高、驱动能力强和功耗低、集成度高的优点。

（2）随着工作温度和工作电压的变化，CMOS 器件和 Bipolar 器件的许多特性都会发生变化，且对于许多特性参数，CMOS 和 Bipolar 器件的变化方向是相反的。例如，传输延时参数，随着温度的降低，CMOS 器件的传输延时减小，而 Bipolar 器件的传输延时增大；随着温度的升高，CMOS 器件的传输延时增大，Bipolar 器件的传输延时虽然也增大，但增加的幅度小于 CMOS 器件。BiCMOS 工艺将 Bipolar 和 CMOS 这两种具有互补特性的工艺结合在一起，使得器件参数随工作电压和工作温度的变化曲线较平缓，提高了器件的性能。

电路设计中常用的 74 族逻辑器件，根据制造工艺、I/O 接口结构的不同，可分为多种系列 ^[26] 。

ABT：先进BiCMOS技术（Advanced BiCMOS Technology）

AC/ACT：先进CMOS逻辑（Advanced CMOS Logic）

AHC/AHCT：先进高速CMOS逻辑（Advanced High-Speed CMOS Logic）

ALS：先进低功耗肖特基逻辑（Advanced Low-Power Schottky Logic）

ALVC：先进低电压CMOS技术（Advanced Low-Voltage CMOS Technology）

ALVT：先进低电压BiCMOS技术（Advanced Low-Voltage BiCMOS Technology）

AS：先进肖特基逻辑（Advanced Schottky Logic）

AVC：先进极低电压CMOS逻辑（Advanced Very Low-Voltage CMOS Logic）

CBT：Crossbar技术（Crossbar Technology）

F：快速逻辑（F Logic）

FCT：快速CMOS TTL逻辑（Fast CMOS TTL Logic）

HC/HCT：高速CMOS逻辑（High-speed CMOS Logic）

LS：低功耗肖特基逻辑（Low-Power Schottky Logic）

LV/LVC：低电压CMOS技术（Low-Voltage CMOS Technology）

LVT：低电压BiCMOS技术（Low-Voltage BiCMOS Technology）

S：肖特基逻辑（Schottky Logic）

以上所列出的系列可被分别归入Bipolar、CMOS、BiCMOS三种工艺类别。

Bipolar工艺：F、S、AS、LS、ALS等。

CMOS工艺：LV、LVC、AC、AHC、AVC、ALVC、HC、HCT、CBT、FCT等。

BiCMOS工艺：LVT、ABT、ALVT、GTL等。

例如，高速电路设计中常用的 16245 总线驱动器有多种系列，分别属于以上三种类型。其中，属于 CMOS 工艺的有 74AC16245、74FCT16245、74AVC16245 等，属于BiCMOS工艺的有74ABT16245、74LVT16245等。

基于制造工艺、I/O 接口结构的不同，这些系列的逻辑器件具有不同的特性。例如，LV和 LVC 系列，都属于 CMOS 工艺，但 LV 采用的是 2μm 制造工艺，而 LVC 采用的是0.8μm 制造工艺，因而 LVC 系列逻辑器件在驱动能力、延迟时间、信号变化沿速率等方面都优于LV系列器件。而LVT工艺基于BiCMOS工艺，BiCMOS兼有Bipolar和CMOS的优势，因此与LV、LVC相比，LVT的各方面性能又更高一筹。

在选型时需要注意，Bipolar工艺的逻辑器件，接口电平一般是TTL或LVTTL。CMOS工艺的逻辑器件，接口电平则可能是CMOS、TTL、LVTTL等类型，例如，74LV125A的输入和输出接口电平都是 LVTTL，而 74LV125AT 的输入接口电平是 TTL，输出接口电平是CMOS。BiCMOS 工艺的逻辑器件，为提高接口速率和驱动能力，输入和输出接口电平往往是TTL或LVTTL。

以电路设计中最常用的几种逻辑器件系列为例，性能比较如表3.1所示 ^[26] 。

表 3.1 以五种有代表性的系列为例，对逻辑器件的关键性能做了比较。其中，LV 是最基础的、低速且低驱动能力的逻辑器件，LVC 是性能中等的 CMOS 器件，ALVC 是传输延时最小的 CMOS 器件，LVT 和 ABT 是 BiCMOS 器件。需注意的是，表中所列的参数均摘自该系列中的某一特定器件，并不适用于系列中的所有逻辑器件，同种系列的器件，如74LVT125与74LVT16245，某些性能参数就存在微小的差别；某些LVC器件支持I _OFF （I _OFF 将在后面3.2.4小节中介绍），而某些不支持I _OFF 。因此在设计中，具体参数还应查询对应的器件资料。

表 3.1 中第三列是该系列器件对输入信号变化沿的速率要求，LV 系列主要应用于低速设计，对变化沿的速率要求仅为 100ns/V，而其他四种系列可用于高速设计，因此对输入信号变化沿的速率要求也比较高；第四列是该系列器件输出电流的能力，值越大则驱动能力越强；第五列是衡量静态功耗的参数，I _CC 指器件处于静态（无负载）时，流入器件电源引脚的电流；第六列是衡量器件传输延时的参数，高速电路的器件选型时，应选择延时小的逻辑器件，因此后四种器件更适合于高速应用；第七～九列是与热插拔有关的性能，将在后续章节讨论。

通常定义流入器件的电流为正，流出器件的电流为负，以输出端口为 TTL 电平的逻辑器件为例，输出高电平时电流流出器件，电流方向为负，称为拉电流（负载从逻辑器件拉出电流）；输出低电平时电流流入器件，电流方向为正，称为灌电流（负载将电流灌入逻辑器件），参见图3.8。因此“驱动能力”列的I _OL 参数用正值表示，而I _OH 参数用负值表示。

【案例3-2】 逻辑器件驱动能力过强造成信号振铃

某电平为 LVTTL 的总线采用 74LVT16245 作为信号驱动器，测试中发现信号振铃过大，最大过冲达到4.3V，超过负载端器件的最大输入电平要求。

【讨论】

LVT系列的逻辑器件驱动能力很强，其I _OL 和I _OH 分别达到64mA和-32mA。强驱动能力的逻辑器件，优势在于其输出信号能在 PCB 上传输较远的距离，不易受外界环境的干扰，且能同时驱动多个负载，但劣势在于，由于其驱动能力太强，可能导致信号在接收端产生振铃现象。因此，在应用强驱动能力的逻辑器件时，输出端应增加串联电阻，实现阻抗匹配。在本案例中，在74LVT16245的每个输出端串联一个33Ω的电阻，振铃现象消失。

【拓展】

在总线驱动的场合，每个输出端都增加一个串联电阻，会耗费大量宝贵的 PCB 面积，为节省 PCB 面积，可选用内部带有串联电阻的逻辑器件型号。例如 74LVTR245，器件内部的每个输出端都含有一个内置的串联电阻。

【案例3-3】 同一型号逻辑器件的差异性造成PHY配置错误

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。调试时偶尔会发现在 PHY 上电完成后，其状态出错。读取相关配置寄存器后，可定位为上电配置出错。

【讨论】

设计中，复位信号和数据总线都经过 74LVT164245 驱动，不过由于数据信号线较多，复位信号和数据总线分别经过了不同的 74LVT164245，通过多次测量抓取出错时的信号时序，发现出错时，复位信号无效沿采样的数据总线信号状态不正确。查看 74LVT164245 器件资料，该器件的传输延时参数 t _pd ，其最小值为 1ns，最大值为 4.1ns。同一型号的器件，传输延时也存在一定的差异，对于时序要求高的应用，应尽量采用同样的驱动路径。

【拓展】

高速电路设计中，随着信号速率的不断提高，信号的时钟周期减小到仅有若干纳秒，此时微小的逻辑器件差异性，将对高速设计造成很大的影响。对电路设计者而言，应意识到器件的这一差异，尽量避免出现由于器件差异而引起的错误。

理解要点：

① Bipolar工艺的器件，特点是速度高，驱动能力强，但功耗较大；CMOS工艺的器件，特点是功耗低，集成度高，但驱动能力和速度比Bipolar差；而BiCMOS兼有Bipolar和CMOS的优势。

② 不同电平的器件之间互连时，在V _OH 、V _OL 、V _IH 、V _IL 之间需满足的两个条件。

③ 灌电流和拉电流的电流方向。

3.2.2 逻辑器件参数介绍

只有熟练掌握逻辑器件资料上各项参数所代表的含义，才能正确选型。本小节介绍在逻辑器件选型中，需重点关注的参数。

本小节的介绍，以四通道总线驱动器74LVC125A为例。

1.特性参数（FEATURES）

器件资料的首页列出了该器件最关键的几项参数“FEATURES”，参见图3.9。

在器件选型时，往往需要查阅并比较大量的器件，然后逐一筛选，而通过“FEATURES”则可以实现第一步的筛选。例如，74LVC125A 的“FEATURES”提供了几项关键信息：推荐电源电压 V _CC 的范围是 1.65～3.6V，那么该器件显然不适合工作在 V _CC =5V的场合；根据器件工作环境温度参数可知，该器件符合工业级温度标准；根据允许输入电平为5.5V可知，虽然该器件推荐的V _CC 不能达到5V，但可以承受5V信号输入，即能与TTL等电平的器件接口。

通过“FEATURES”完成第一步器件筛选后，可以找到若干初步符合设计要求的器件，此时，应结合器件资料详细信息，进一步分析。

2.器件极限参数表（Absolute Maximum Ratings）

下面以表3.2为例，说明一种器件最大极限参数表的内容。

器件的工作条件如果超出了极限工作表中对应的参数，可能造成器件的永久损坏。

· V _CC ：电源电压。应注意两点：第一，确保上电和下电时，电源电压的过冲小于极限值；第二，正常工作时，电源电压加上纹波的最大值应小于极限值。

· V _I ：输入信号电平。输入信号的上升沿和下降沿都会存在过冲，要求上过冲不能超过6.5V，下过冲不能超过-0.5V。

· Vo：输出信号电平。本参数用于分析当该器件作为发送方时，输出信号是否会超出接收端器件的 V _I 极限参数要求。表中该栏的 V _CC 不是极限参数表中的 V _CC 极限值，而是器件工作时的电源电压。

· I _IK ：输入钳位电流，指器件工作电压超出正常范围之外时，允许流入器件输入端的最大电流。

· I _OK ：输出钳位电流，指器件工作电压超出正常范围之外时，允许流入器件输出端的最大电流。

CMOS 器件的输入端电平如超出电源电压或地电平，将引起闩锁。如图 3.10 所示，为保护逻辑器件，在输入/输出端口与电源 V _CC 、地（GND）之间，往往内置有钳位二极管，当端口电平超出 V _CC 或 GND 时，该二极管能将电平钳位在极限的范围之内，从而避免对器件的损坏。一般情况下，每个逻辑器件的输入/输出端口都内置有地钳位二极管，但不一定内置有电源钳位二极管。由于地钳位二极管的存在，当电平最小值低于 GND 时，地钳位二极管导通，将端口电平钳位在-0.5V（0.5V是内置二极管导通时的压降），因此V _I 和V _O 的极限最小值为-0.5V。同理，对于输入/输出端口内置有电源钳位二极管的逻辑器件，当电平最大值高于V _CC 时，电源钳位二极管导通，将端口电平钳位在V _CC +0.5V，因此V _I 和V _O 的极限最大值为 V _CC +0.5V，这类器件有 AC、ACT、AHC、ALVC、AS、F、HC、HCT、S 等系列。而对于 ABT、ALVT、AVC、LV、LVC、LVT 等系列，没有内置电源钳位二极管，当输入电平高于V _CC 时，要通过工艺保证器件不被损坏，因此V _I 和Vo的极限最大值是一个电平值，如74LVC125A，该值为6.5V，这是器件工艺可以保证的最高电平。

当端口电平低于 GND 时，地钳位二极管导通，电流经二极管由 GND 流出端口，该电流有一个最大值，如74LVC125A，该值为-50mA（流出器件），超出该电流，则钳位电路无法正常工作。对于内置有电源钳位二极管的逻辑器件，当端口电平高于V _CC 时，电源钳位二极管导通，电流经二极管由端口流入 V _CC ，则该电流同样有一个最大值，为正值（流入器件），由于74LVC125A没有内置电源钳位二极管，因此无此项参数要求。

· I _O ：器件正常工作时，输出端口上允许的最大输出拉电流（负值）或灌电流（正值）。

· θ _JA ：热阻系数，用于计算器件工作时的温度。

· P _tot ：器件工作时的最大功耗。

3.推荐参数表（Recommended Operating Conditions）

下面以表3.3为例，说明一种器件推荐参数表的内容。

当满足推荐参数表的要求时，逻辑器件运行于最佳工作状态。根据工作温度的不同，参数值可能有略微差别，例如，在 74LVC125A 的推荐参数表中，参数值按 25℃、-40～85℃、-40～125℃分为三列。

· V _CC ：电源电压。只有 V _CC 处在表中所列范围之内时，才能保证器件正常的工作状态。

· V _IH 、V _IL ：器件资料分别提供了这两个参数的最小值和最大值，仅当输入电平高于V _IH 的最小值时，才能被判决为高电平，仅当输入电平低于 V _IL 的最大值时，才能被判决为低电平。输入端口为 TTL 电平时，V _IH =2V，V _IL =0.8V；输入端口为CMOS电平时，参数与V _CC 成一定的比例关系（如V _IH =0.7×V _CC ，V _IL =0.3×V _CC ）。这一点往往可以作为判断输入端电平种类的依据。需注意，输入电平处于 V _IH 和V _IL 之间时，可能导致以下问题的出现：输出信号逻辑状态不正确、产生较大的静态电流I _CC 、输出产生振铃、电源和地之间出现较大的电流通路、损坏器件。

· V _I ：推荐的输入信号电平范围。在应用中，这一参数可用于判断该器件是否支持高于 V _CC 的电平输入，如 74LVC125A，V _CC 推荐的最大值为 3.6V，而 V _I 能承受最高达5.5V的输入电平，所以74LVC125A能与5V供电的逻辑器件直接互连。并不是每种逻辑器件都支持高于 V _CC 的输入信号电平，如 74LV125A，其 V _CC 最大值为5.5V，而V _I 的最大值也是5.5V。

· V _O ：输出信号电平范围。

· I _OH /I _OL ：输出高电平/低电平时的电流。电流将随着 V _CC 的不同而不同，V _CC 越高，电流越大。

· Δt/ΔV：对输入信号变化沿速率的要求。只有输入信号变化沿满足此参数要求时，逻辑器件才能可靠地识别出输入状态的变化，并做出有效的反应。信号变化沿越缓，则处于非稳态区域的时间越长，对器件工作的稳定性越不利。有两种情况可能造成信号边沿过缓，一是驱动方驱动能力不足，一是信号路径上容性太大。根据第 1 章的知识，信号的最高频率往往不是其周期频率，而是其边沿的频率分量，信号边沿越陡，高频分量越多，也越容易出现过冲，所以高速电路设计中往往希望信号边沿缓一些，但边沿太缓，又不能满足器件输入端Δt/ΔV 的要求，因此信号边沿既不能太陡，也不能太缓。

4.电气参数表（Electrical Characteristics）

下面以表3.4为例，说明一种器件的电气参数表的内容。

· V _OH /V _OL ：输出高电平的最小值/输出低电平的最大值。

· I _I ：器件正常工作时流入（输入信号为高电平）或流出（输入信号为低电平）输入端口的电流。CMOS 工艺的逻辑器件属于压控型，输入电流很小，I _I 参数仅为几微安；Bipolar工艺的逻辑器件属于流控型，输入电流较大，I _I 参数达几毫安。因此，通过I _I 参数的值，可判断该器件输入端口的工艺类型，当器件的I _I 参数与输入静态电流 I _CC 参数的值相近时，该器件的工艺类型为 CMOS。例如，74LVC125A 属于CMOS工艺，I _I 参数的最大值仅1μA（25℃），I _CC 参数的最大值也是1μA。又如，74LS00属于Bipolar工艺，I _I 参数的最大值达1mA。

· I _IH /I _IL ：输入高电平/低电平时流入输入端口电流的最大值。由于CMOS器件的输入阻抗极大，输入端口电流一般就是漏电流，用 I _I 定义即可，所以，CMOS 工艺的逻辑器件资料中不提供 I _IH 和 I _IL 这两个参数（如本处 74LVC125A 的器件资料中无这两个参数）。Bipolar 器件输入高电平和低电平时，输入引脚上的电流差异很大，需用 I _IH 和 I _IL 分别定义，如 74LS00 的 I _IH 最大值为 40μA，而 I _IL 可达-1.6mA。设计时应根据I _IH 和I _IL 的要求选择上、下拉电阻阻值。

· I _OZ ：输出端口为高阻时的泄漏电流。

· I _CC ：静态电流，指器件上电后，处于静态（无负载）时，流入电源引脚 V _CC 的电流值。

· ΔI _CC ：CMOS工艺的逻辑器件资料提供该参数，指CMOS器件输入端口由TTL高电平驱动时，在 I _CC 基础上额外增加的电流量。根据 3.2.1 节，TTL 电平的 V _OH 大于 CMOS 电平的 V _IL ，但小于 V _IH ，所以当使用 TTL 电平的驱动器驱动 CMOS 电平的接收器件为高电平时，输入信号电平并不能满足 CMOS 器件的输入要求 V _IH 和V _IL ，处于非稳态，电流将急剧增加，该增加的电流用ΔI _CC 定义。对74LVC125A而言，ΔI _CC =500μA（25℃），是其I _CC 参数的500倍。

· C _I ：输入电容，是指逻辑器件输入端口的寄生电容。在电路设计时，该参数可被视为衡量驱动器驱动能力的指标，许多专用的驱动器件，如 Cypress 公司的时钟驱动器CY2305器件资料中，定义C _L 参数为30pF，即该器件输出引脚的容性负载能力是30pF，而74LVC125A器件的C _I 参数值为5pF，则CY2305的一个输出端口最多能同时驱动6个74LVC125A的输入端口。

对支持总线保持（Bus Hold）功能的逻辑器件，器件资料上还会提供以下参数：

· I _I（hold） ：输入保持电流。当驱动器件进入高阻状态后，为使接收器件的输入引脚保持在前一个逻辑状态所需提供的电流。74LVTH125 是支持总线保持功能的逻辑器件，其I _I（hold） 参数定义见表3.5。

对支持总线保持功能的器件，根据其输入引脚需保持的电平不同，电流需求也不同。一般器件资料上提供的参数是在输入电平保持为V _IH 和V _IL 时对电流的要求。74LVTH125的输入端口电平为 LVTTL，因此，V _IH 和 V _IL 参数分别为 2V 和 0.8V，对应的电流要求都是75μA（但流入流出方向不同）。

同时，器件资料上还提供了输入状态翻转（逻辑状态由“0”变“1”或“1”变“0”）时应提供的电流值。应用时需注意，资料上提供的 500μA 是最大值，其含义是，使输入引脚维持在原逻辑状态的最大电流，超过 500μA，则逻辑状态将发生翻转。因此，在要求逻辑状态翻转的应用中，驱动器提供的电流必须大于 500μA，即 500μA 是状态翻转的最小电流要求。参考本章的第一个案例，当驱动电流达不到翻转电流要求时，器件的逻辑状态不会发生变化。

对于定义逻辑状态翻转所需电流的参数，型号较老的系列都是采用 I _I（hold） 参数定义，如ABTH、LVTH、LVCH等，而对较新系列的逻辑器件，如74AVCAH164245，器件资料使用I _BHH 、I _BHL 、I _BHHO 、I _BHLO 四个参数定义该特性。

· I _BHH ：支持总线保持功能的器件，其输入引脚保持为V _IH 电平时输出的电流值。

· I _BHL ：支持总线保持功能的器件，其输入引脚保持为V _IL 电平时吸收的电流值。

· I _BHHO ：为使输入引脚的逻辑状态发生从“1”到“0”的翻转，驱动器应吸收电流的最小值。

· I _BHLO ：为使输入引脚的逻辑状态发生从“0”到“1”的翻转，驱动器应输出驱动电流的最小值。

其中，I _BHH 和I _BHL 与表3.5中I _I（hold） 参数的前两项要求（逻辑状态保持）对应，而I _BHHO 和I _BHLO 与第三项要求（逻辑状态翻转）对应。

5.传输特性参数

下面以表3.6为例，说明一种器件的传输特性参数表的内容。

表3.6中，最重要的参数是：t _pd 和t _sk（o） 。

· t _pd ：传输延时，指逻辑状态发生变化时，输入和输出波形上同一电平参考点之间的时间延迟。在某些逻辑器件（如 74LVTH125）资料上，不提供 t _pd 参数，而提供了另两个参数：t _PLH （逻辑状态由“0”变为“1”，输入和输出波形上同一电平参考点之间的时间延迟）和 t _PHL （逻辑状态由“1”变为“0”，输入和输出波形上同一电平参考点之间的时间延迟），实际上是根据状态变化方向的不同，将t _pd 参数进行细分，本质上是一样的。如果器件资料上只提供了 t _pd 参数，则取值为 t _PLH 和 t _PHL 的最大值。在时序设计中，应注意同一系列的器件之间，其传输延时参数有一定的差异性。

· t _sk（o） ：输出偏移失真，指由于制造工艺的限制，器件内部各个输出引脚之间传输延迟的差异。在设计中，如果采用逻辑器件作为总线驱动器，应仔细考虑由于t _sk（o） 的存在而对时序造成的影响。

在设计中，与传输特性有关的参数，还有t _sk（P） 和t _sk（pr） 。

· t _sk（P） ：脉冲失真，指t _PLH 和t _PHL 的差值。

· t _sk（pr） ：封装失真，指同一厂家同一型号的器件，在输出波形上，相互之间存在的差异。

· t _pd 、t _sk（o） 、t _sk（P） 和 t _sk（pr） 都是制造工艺造成的器件误差。一般这四个参数的值都非常小，仅为几纳秒，但是在高速电路设计中，当信号速率达到数百兆赫兹时，信号周期也仅有几纳秒，使得这些参数占据了信号周期的较大百分比，对时序裕量造成了很大的威胁，因此必须予以重视。

以上这四个参数虽然都与偏差相关，但对时序分析的意义是不一样的。

t _pd 强调的是输入到输出的延时，在逻辑器件作为并行总线的驱动器时，该参数将直接影响总线信号的建立时间和保持时间裕量。根据第5章的内容讲解，当时钟信号和数据信号方向相同时，t _pd 的最大值应从数据信号的建立时间裕量中减去，而 t _pd 的最小值应加到数据信号的保持时间裕量中。

t _sk（o） 强调的是不同输出引脚之间的偏移量，如图3.11所示，逻辑器件IC1输出两个状态相同的信号D1和D2，分别送到IC2和IC3，在PCB上D1和D2信号线等长，即希望D1和D2信号到达IC2和IC3时，逻辑状态完全相同，在这种情况下，就必须考虑由于t _sk（o） 的存在可能造成的时序问题，假设IC2和IC3将在同一时间对数据信号采样，为保证这两个器件采样正确，并采到同样的数值，要求 D1 和 D2 除满足信号本身所要求的时序裕量外，还应满足由于输出偏移失真造成的时序差异。

t _sk（P） 用于衡量占空比失真造成的时序问题。这在 DDR SDRAM等双边沿采样的应用中尤为关键。

t _sk（pr） 也是不可避免的器件误差，其对设计者的指导意义在于，应避免将器件理想化。对一系列时序密切相关的信号，如果在链路中通过了不同的逻辑器件，即便逻辑器件型号一致，在接收端仍可能存在时序的偏差，该偏差应在时序裕量计算中得到充分考虑。

6.操作特性参数

下面以表3.7为例，说明一种器件的操作特性参数表的内容。

· C _pd ：电源耗散电容。该参数是在计算 CMOS 工艺的逻辑器件动态功耗时使用的等效电容。

理解要点：

① 在选型时，器件资料的“FEATURES”表是重要的依据。

② 为保证器件的正常工作，电路设计需满足器件资料的“Recommended Operating Conditions”表。

③ 为确定器件工作的时序，需参考器件资料的传输特性参数表。

3.2.3 逻辑器件功耗计算

本小节重点介绍如何计算CMOS工艺逻辑器件的功耗。在3.2.2节对逻辑器件参数的介绍中，提到了许多与功耗相关的参数，如 V _CC 、I _CC 、C _pd 等，那么这些参数将如何影响器件的整体功耗？

逻辑器件资料中，一般都会给出器件工作时的最大功耗 P _tot 参数，但这个参数仅能提供最恶劣情况下的功耗估计值，在单板功耗裕量充足时，可使用 P _tot 完成粗略的估计，随着单板复杂度的提高，高功耗器件不断增加，单板的功耗分配越来越紧张，要求对器件的功耗估计更贴近实际情况，所以 P _tot 并不实用。例如，一个 P _tot 参数值为 0.8W 的器件，如果实际应用的信号翻转频率很低，则实际功率将远远小于一个 P _tot 参数值为 0.4W。因此，在设计中，有必要将器件的静态功耗和动态功耗区分开，以便根据器件应用场合的不同来评估其实际功耗。

CMOS 器件功耗分为静态功耗和动态功耗 ^[29] 。当器件所有端口的逻辑状态稳定而不发生变化，则端口无需充/放电，器件内部仅存在泄漏电流 I _CC ，此时的功耗就是静态功耗。静态功耗还包括输入端处于非稳态时，由ΔI _CC 引起的功耗。当器件端口的逻辑状态发生不断的翻转，器件内部除泄漏电流外，还存在工作电流，且为了驱动容性负载，器件的输出端还需不断充放电，这种由于器件逻辑状态翻转而产生的功耗，称为动态功耗。

1.静态功耗P _S

静态功耗由两个部分组成。其一，由器件内部泄漏电流产生。CMOS 器件内部，在漏源极与衬底之间，存在寄生的反偏二极管（二极管上承受反向电压），由于二极管内少数载流子的运动，形成反偏电流即漏电流。在逻辑器件资料中，漏电流用 I _CC 参数定义（又称为静态电流）。一般漏电流 I _CC 很小，随着温度的升高而增大，如 74LVC125A 在 25℃时漏电流仅1μA，而在125℃时漏电流能达到40μA。这一部分功耗的计算公式为

基于制造工艺的不同，逻辑器件的静态功耗差别很大。例如，Bipolar 工艺的 74LS125A，其I _CC 参数值为54mA，而CMOS工艺的74LVC125A，I _CC 仅为40μA。

因此，Bipolar 器件的静态功耗远大于 CMOS 器件，例如，74LS125A，当 V _CC =3.3V时，有P _S =3.3V×54mA=178mW；而对于74LVC125A，P _S =3.3V×40μA=0.132mW，两者相差1000多倍。

其二，当输入电平不满足器件输入引脚的阈值电平时，器件内部本应完全关断的 MOS管并没有被完全关断，使 V _CC 和 GND 之间存在一定的电流通路，由此造成的功耗，也归为静态功耗。在器件资料中，这种电流通路用参数ΔI _CC 定义，一般而言，ΔI _CC 远大于 I _CC ，但漏电流引起的静态功耗是始终存在的，而ΔI _CC 引起的静态功耗仅当输入电平不满足输入阈值电平时才会发生。在电路设计中，通过电平转换电路、提高信号的边沿速率，可减小由ΔI _CC 引起的静态功耗。

2.动态功耗P _D

动态功耗分为瞬变功耗P _T 和容性负载功耗P _L 。

1）瞬变功耗P _T

器件逻辑状态改变时，需对内部的容性节点充放电，这个过程存在功率损耗；同时，逻辑状态的改变，伴随着器件内部 MOS 管的开合，如图 3.12 所示，对于 CMOS 工艺的逻辑器件，其输出端口由PMOS管和NMOS管构成，以某CMOS工艺的反相器为例，输入逻辑“0”状态时，输出端口的 PMOS 管闭合而 NMOS 管打开，输入逻辑“1”状态时，PMOS 管打开而 NMOS 管闭合，即理想情况下，任何时候都只有一个 MOS 管闭合导通。在输入状态由“0”变为“1”时，PMOS 管和 NMOS 管的开合状态同时发生改变，受输入信号变化速率和制造工艺的限制，这种开合状态的改变需要一定的时间，因此在某些瞬间，两管同时处于闭合导通的状态，从而形成V _CC 到GND的电流通路，造成功耗。

当输入信号变化速率较快（满足器件Δt/ΔV 参数的要求）时，瞬变功耗 P _T 将主要取决于器件内部的节点电容，因此P _T 计算公式为

式中 C _pd ——电源耗散电容，也是不考虑容性负载时逻辑器件的等效电容，可直接从器件资料上获得；

F _I ——输入信号的频率；

N _swI ——同时发生状态变化的输入端口数目。

2）容性负载功耗P _L

为驱动外部的容性负载，输出端消耗的功率定义为容性负载功耗P _L ，其计算公式为

式中 C _L ——外部容性负载；

F _O ——输出信号的频率；

N _swO ——同时发生状态变化的输出端口数目。

由于动态功耗P _D 等于瞬变功耗P _T 与容性负载功耗P _L 之和，其计算公式为：

总功耗P计算公式为

例如，使用 74LVC125A 作为 4 比特数据总线驱动器，数据信号波特率为 10Mbps，供电电源 V _CC =3.3V，每个输出引脚的容性负载 C _L 为 5pF。从器件资料上可以获得以下参数：I _CC （max）=40μA，C _pd =15pF，则功率计算为

因此，总功耗P的计算结果为

P=P _S +P _D =0.132mW+8.7mW=8.832mW

即使考虑20%的裕量，总功耗也仅为11mW，远远小于器件资料上给出的P _tot 参数值。

理解要点：

逻辑器件的功耗由静态功耗和动态功耗构成，而动态功耗又分为瞬变功耗和容性负载功耗。

3.2.4 逻辑器件热插拔功能介绍

除提供与、或、非、总线驱动等逻辑功能外，逻辑器件还可作为热插拔单板的接口保护器件。

通信设备多由主控板、若干业务板、风扇板、时钟板、电源板等构成，在使用中，经常需要带电插拔某些单板。带电插入时，单板的电源、地以及输入/输出端口几乎同时与背板上的电源、地以及信号线相接触，由于单板电源存在较大的容性，上电缓慢，因此存在输入/输出端口到电源平面或地平面的电流通路，构成倒灌，可能造成对单板接口器件的损坏。同样的情况也出现在带电拔出时。

为了实现单板的热插拔，接口器件应满足一定的要求。根据级别的不同，热插拔可分为以下四个等级 ^[30] ，这四个等级对接口器件提出了不同的要求。

级别0 ，级别0的器件完全不支持带电插拔，在插拔前必须先关断主电源。绝大多数常用的逻辑器件系列都属于级别 0，如 AC、ACT、AHC、AHCT、ALS、ALVC、AS、F、HC、HCT、HSTL、LS、S、SSTL、TTL等。

级别 1 ，级别 1 的逻辑器件支持局部掉电（Partial-Power-Down）。该特性支持器件掉电时，关断接口到电源的通路，以免接口信号的电流倒灌到电源引脚，损坏器件。但插拔前，主系统必须先暂停接口信号的传输。级别 1 要求接口器件支持 I _off 特性。以下逻辑器件系列属于级别1：AVC、LV、LVC、GTL等。

级别2 ，级别2的逻辑器件支持热插拔（Hot Insertion）。除级别1的功能外，还可防止插拔时可能产生的总线冲突。要求接口器件支持I _off 、PU3S特性。以下逻辑器件系列属于级别2：ABT、ALVT、LVT等。

级别3 ，级别3的逻辑器件支持在线插拔（Live Insertion）。除级别2的功能外，还能保证单板插拔时接口总线的数据不受影响。要求接口器件支持I _off 、PU3S、BIAS V _CC 特性。以下逻辑器件系列属于级别3：GTLP等。

以下分别分析I _off 、PU3S、BIAS V _CC 三种特性。

1.I _off

图3.13所示为支持I _off 特性的CMOS器件输出端口结构图。与通常的CMOS器件输出端不同的是，I _off 特性要求在输出端增加一个关断二极管。

逻辑器件下电时，V _CC 电平变为零，但输入/输出端口仍与其他处于工作状态的器件相连，端口上存在一定的电流，如器件端口不包含关断二极管，该端口电流将通过 PMOS 管的寄生二极管流入V _CC 引脚。而关断二极管的作用正是阻断该通路。

判断一个逻辑器件是否支持 I _off 特性，方法是查看器件资料上是否包含 I _off 参数的描述。

如TI公司的74ABT125器件资料上列有I _off 参数，见表3.8。

参数 I _off 是指，当器件下电即 V _CC =0 时，输入或输出端口通过关断二极管的泄漏通道，能流入V _CC 引脚的电流最大值为100μA。

I _off 结构图中，关断二极管处于PMOS管和V _CC 之间，那么在NMOS管和GND之间是否需要同样的二极管？答案是否定的，因为 NMOS 管的寄生二极管已经起到了关断二极管的作用。

2.PU3S

如图 3.14 所示，单板 1 和单板 2 的接口器件是同相驱动器，它们都拥有低电平有效的使能信号 EN＃。单板 2 上同相驱动器的 EN＃和输入端都通过电阻下拉到地。单板 1 工作时，将接口总线驱动为高电平（CMOS 的上管导通），此时，插入单板 2，由于单板 2 的V _CC 上电需要一段时间，而EN＃和输入端的状态都为低，因此单板2将驱动输出端口为低电平（CMOS 的下管导通），从而，在单板1 的V _CC 和单板2 的 GND 之间出现了一条低阻抗的电流通路，两个接口器件都存在被损坏的可能。

解决方法是使接口器件在V _CC 上电完成之前，输出端口保持高阻而不对任何输入信号作出响应，这种解决方法称为上电三态（PU3S）。

支持 PU3S 的逻辑器件内部包含图 3.15 所示的 PU3S 结构，PU3S 输出低电平时，器件输出端呈现高阻态，只有在 PU3S 输出高电平时，输出端才能对输入端的信号做出正常响应。

PU3S结构中，R1和R2构成分压电路，使M1管只有在V _CC 的电平超过阈值后才能导通，因此在 V _CC 上电的过程中，节点 2 保持为高电平，驱动 PU3S 输出低电平，V _CC 上电完成后，M1导通，节点2变为低电平，驱动PU3S输出高电平，器件输出端开始正常工作。

单板热插拔时，对接口器件输出状态的控制是很有必要的。根据V _CC 上电的步骤，可将该控制过程分为三个阶段，即I _off 阶段，PU3S阶段，OE＃控制阶段，如图3.16所示。

阶段1 ，V _CC =0V时，I _off 结构利用关断二极管阻断输出端口与V _CC 之间的通道。

阶段2 ，V _CC 上电过程中，PU3S结构使输出端口呈现高阻态。

阶段3 ，V _CC 上升达到阈值后，PU3S释放对输出端口的控制权，交由 控制。

阶段 2 和阶段 3 存在一个重合区，其目的是确保接口器件对输出信号的完全控制，在设计中，建议将 信号弱上拉到V _CC 。

在 PU3S 结构中，由于 C1、C2 等电容的存在，当 V _CC 上电过快时，PU3S 结构不能正常工作。因此，在支持 PU3S 特性的逻辑器件资料中，提出了对上电速率的要求，由参数Δt/ΔV _CC 定义，如 74ABT125，要求Δt/ΔV _CC 不小于 200μs/V。在对接口逻辑器件的测试中，应注意对该参数的测量。

在功耗测试中，设计者有时会发现单板上电时电流很大，甚至数倍于单板正常工作时的电流，这往往是由于电源上电过快造成的。因此，对存在上电速率要求的电源，应增加电容或使用缓启动电路。

器件资料上与 PU3S 相关的参数有四个，如表 3.9 所示为摘取自 TI 公司 74ABT125 器件资料。

I _OZPU ：指在V _CC 上电过程中（达到阈值2.1V前），输出引脚上流入或流出电流的最大值。

I _OZPD ：指在 V _CC 下电过程中（由阈值 2.1V 降为 0V），输出引脚上流入或流出电流的最大值。

I _OZH 、I _OZL ：指当 V _CC 达到阈值电平后，由于输出使能信号 无效，导致输出端口处于高阻态，此时，输出端口上流入或流出电流的最大值。输出高阻态时，输出端口可能处在任何电平位置，如处在高电平，电流用 I _OZH 定义，处在低电平，则用 I _OZL 定义，高阻态时的电流都很小，仅为数微安。由此可以看出，输出高阻态与输出的电平状态无关，此时，输出端的电平可能处于任何位置，但输出电流极小，不具有驱动负载的能力。有些设计者认为，输出高阻时，输出端口的电平为 0，而事实上，输出高阻只是对输出驱动能力的定义，与电平没有任何关系。

3.BIAS V _CC

I _off 和 PU3S 实现了对接口器件的硬件保护，但并不能保护接口总线上正在传输的数据。利用BIAS V _CC 结构可预充电待插入单板的输入/输出接口，避免对正处于工作状态之中的总线构成干扰。

接口器件的引脚都存在一定的容性，而电容的作用是阻碍信号电平的变化，单板插入时，单板上接口器件的引脚电容倾向于将信号电平拉低，待电容充电完毕后，信号电平才能得以恢复。

图 3.17 显示了接口信号处于高电平和低电平时，单板插入对信号产生的影响。尤其是接口信号处于高电平时，单板的插入事件可能将信号拉低至判决门限以下，引起逻辑状态出错。

如图3.18所示，在逻辑器件引脚上增加一个预充电电路，该电路由BIAS V _CC 供电（一般而言，BIAS V _CC 的电平与V _CC 相同，但早于接口器件的V _CC 引脚上电），在信号引脚与背板连接器接触之前，使之预充电到某一电平，例如，该电平可以选择为判决门限电平，当信号引脚与背板连接器接触时，由于引脚容性，接口信号仍会被拉向判决门限电平，但不会跨越该门限，因此不会发生判决错误。如图 3.19 所示，可以看到采用预充电电路的单板插入时对接口信号的影响。

器件资料中，与BIAS V _CC 相关的参数有BIAS V _CC 、I _CC （BIAS V _CC ）。

· BIAS V _CC ：指预充电电路的电源，该电源应先于V _CC 上电。

· I _CC （BIAS V _CC ）：指预充电电路的电流，该电流一般很小。

例如，支持 BIAS V _CC 特性的 74GTLPH1645，其器件资料中对 BIAS V _CC 的推荐值为3.15～3.45V，而I _CC （BIAS V _CC ）参数的最大值为5mA。

BIAS V _CC 结构对信号连接器的选型有一定的要求，要求接口器件的 BIAS V _CC 和 GND引脚先与背板连接器相接，以便实现预充电。因此，为实现在线插拔，应选用长短针式信号连接器。

图 3.20 为 ERNI 公司的 2mm 公口连接器，型号是 134802。该连接器的插针长度分三类：A、B、C，其中A类最短，C类最长。连接器分7排25列，最边上的两排（z和f）一般作为屏蔽插针，接单板的信号地GND，可供信号和电源使用的是5排25列。

为实现在线插拔（Live Insertion），GND和BIAS V _CC 应选择最长的插针，即C类，而接口信号可选择次长的插针，即B类或A类，V _CC 应选择最短的A类。

理解要点：

选择支持热插拔功能的逻辑器件时，根据热插拔的等级，需考虑逻辑器件是否支持I _off 、PU3S、BIAS V _CC 功能。

3.2.5 逻辑器件使用中注意事项的总结

（1）根据需要选型，不建议盲目地选择性能最好的器件。逻辑器件成本不高，设计者往往会选择同系列中性能最好的型号。例如，总线驱动器有 74LV125A、74LVC125A、74LVT125、74ABT125 等，驱动能力依次从弱到强，设计中盲目地选择驱动能力最强的器件，一方面可能造成辐射增大，产生 EMI（电磁干扰）问题，另一方面也可能导致输出信号过冲太大，超出接收器件输入电平的范围。

（2）时序设计中不能依赖逻辑器件的延时。逻辑器件都具有片内传输延时，但是该参数的器件间差异性较大，不能在设计中被利用。

（3）使用具有总线保持功能的器件时，外部上、下拉不能太弱（即电阻阻值不能太大）。

（4）未用的输入端口电平为CMOS时，需做上、下拉处理。

（5）电源上电速率、输入信号边沿速率应满足器件资料中对应参数的要求。

（6）在热插拔接口器件的应用中，为防止冲击，输出端一般应串联 50Ω电阻，输入端一般应串联 100～200Ω电阻。此时，应确认串联电阻不会对信号电平产生分压影响，以致输入端电平不能满足要求。

（7）当存在热插拔要求时，应根据热插拔的级别，选择对应的器件。 kMVqQzJsK2s6dqSttY8tjl8N5OcFPRXs8xsjWt5mlMcPKcYCs/2/cX3TU/pn9J90