TTL與非門(mén)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和特性

分立元件門(mén)電路雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是存在著體積大、工作可靠性差、工作速度慢等許多缺點(diǎn)。1961年美國(guó)德克薩斯儀器公司率先將數(shù)字電路的元器件和連線制作在同一硅片上，制成了集成電路。由于集成電路體積小、質(zhì)量輕、工作可靠，因而在大多數(shù)領(lǐng)域迅速取代了分立元件電路。隨著集成電路制作工藝的發(fā)展，集成電路的集成度越來(lái)越高。

TTL信號(hào)是數(shù)字信號(hào).CMOS傳輸門(mén)（Transmission Gate）是一種既可以傳送數(shù)字信號(hào)又可以傳輸模擬信號(hào)的可控開(kāi)關(guān)電路。

按照集成度的高低，將集成電路分為小規(guī)模集成電路、中規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路。根據(jù)制造工藝的不同，集成電路又分為雙極型和單極型兩大類(lèi)。TTL門(mén)電路是目前雙極型數(shù)字集成電路中用的最多的一種。

TTL門(mén)電路中用的最普遍的是與非門(mén)電路，下面以TTL與非門(mén)為例，介紹TTL電路的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和特性。

（1）TTL與非門(mén)的基本結(jié)構(gòu)

圖1是TTL與非門(mén)的電路結(jié)構(gòu)。可以看出，TTL與非門(mén)電路基本結(jié)構(gòu)由3部分構(gòu)成：輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)。因?yàn)殡娐返妮斎攵撕洼敵龆硕际侨龢O管結(jié)構(gòu)，所以稱(chēng)這種結(jié)構(gòu)的電路為三極管---三極管邏輯電路。

圖1 TTL與非門(mén)電路的基本結(jié)構(gòu)

輸入級(jí)：輸入級(jí)是一個(gè)與門(mén)電路結(jié)構(gòu)。T1是多發(fā)射極晶體管，可以把它的集電結(jié)看成一個(gè)二極管，把發(fā)射結(jié)（三個(gè)發(fā)射結(jié)）看成是與前者背靠背的3個(gè)二極管，如圖2所示。由此看出，輸入級(jí)就是一個(gè)與門(mén)電路：Y=A·B·C。

（a）多發(fā)射極晶體管（b）多發(fā)射極晶體管的等效二級(jí)管電路

圖2 多發(fā)射極晶體管的等效電路

中間級(jí)：由三極管T2和電阻RC1、RE2組成。在電路的開(kāi)通過(guò)程中利用T2的放大作用，為輸出管T3提供較大的基極電流，加速了輸出管的導(dǎo)通。所以，中間級(jí)的作用是提高輸出管的開(kāi)通速度，改善電路的性能。

輸出級(jí)：由三極管T3、T4、二極管D和電阻RC4組成。如圖3所示，圖3（a）是前面講過(guò)的三極管非門(mén)電路，圖3（b）是TTL與非門(mén)電路中的輸出級(jí)。從圖中可以看出，輸出級(jí)由三極管T3實(shí)現(xiàn)邏輯非的運(yùn)算。但在輸出級(jí)電路中用三極管T4、二極管D和RC4組成的有源負(fù)載替代了三極管非門(mén)電路中的RC，目的是使輸出級(jí)具有較強(qiáng)的負(fù)載能力。

圖3 晶體管非門(mén)電路與TTL與非門(mén)輸出級(jí)

（2）工作原理

在下面的分析中假設(shè)輸入高、低電平分別為3.6V和0.3V，PN結(jié)導(dǎo)通壓降為0.7V。

①輸入全為高電平3.6V（邏輯1）

如果不考慮T2的存在，則應(yīng)有UB1=UA+0.7=4.3V。顯然，在存在T2和T3的情況下，T2和T3的發(fā)射結(jié)必然同時(shí)導(dǎo)通。而一旦T2和T3導(dǎo)通之后，UB1便被鉗在了2.1V（UB1=0.7×3=2.1V），所以T1的發(fā)射結(jié)反偏，而集電結(jié)正偏，稱(chēng)為倒置放大工作狀態(tài)。由于電源通過(guò)RB1和T1的集電結(jié)向T2提供足夠的基極電位，使T2飽和，T2的發(fā)射極電流在RE2上產(chǎn)生的壓降又為T(mén)3提供足夠的基極電位，使T3也飽和，所以輸出端的電位為UY=UCES=0.3V， UCES為T(mén)3飽和壓降。

可見(jiàn)實(shí)現(xiàn)了與非門(mén)的邏輯功能之一：輸入全為高電平時(shí)，輸出為低電平。

②輸入低電平0.3V（邏輯0）

當(dāng)輸入端中有一個(gè)或幾個(gè)為低電平0.3V（邏輯0）時(shí)，T1的基極與發(fā)射級(jí)之間處于正向偏置，該發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，T1的基極電位被鉗位到UB1=0.3+0.7=1V。T2和T3都截止。由于T2截止，由工作電源VCC流過(guò)RC2的電流僅為T(mén)4的基極電流，這個(gè)電流較小，在RC2上產(chǎn)生的壓降也小，可以忽略，所以UB4≈VCC=5v，使T4和D導(dǎo)通，則有：UY=VCC-UBE4-UD=5-0.7-0.7=3.6V。

可見(jiàn)實(shí)現(xiàn)了與非門(mén)的邏輯功能的另一方面：輸入有低電平時(shí)，輸出為高電平。

綜合上述兩種情況，該電路滿(mǎn)足與非的邏輯功能，是一個(gè)與非門(mén)。