【干貨】晶體管邏輯電路的原理

晶體管是什么？

晶體管（transistor）是一種固體半導體器件（包括二極管、三極管、場效應管、晶閘管等），它具有檢測、整流、放大、開關、穩(wěn)壓和信號調(diào)制等多種功能。作為交流斷路器，晶體管可以根據(jù)輸入電壓控制輸出電流。

與普通機械開關（如繼電器和開關）不同，晶體管使用電信號來控制其打開和關閉，因此開關速度可以非?？?，實驗室中的開關速度可以達到100GHz以上。晶體管通常是由半導體材料制成的固態(tài)電子器件。電流的循環(huán)可以通過添加電子來改變。這一過程使電壓變化成比例地影響輸出電流的許多變化，從而使放大倍數(shù)倍增。

除大多數(shù)電子設備外，并非所有電子設備都包含一種或多種類型的晶體管。有些晶體管單獨或通常放置在集成電路中，并且根據(jù)應用的狀態(tài)而變化。

根據(jù)晶體管的性能，可形成晶體管的邏輯電路，在數(shù)字集成電路中運用廣泛。

數(shù)字集成電路是對數(shù)字集成電路執(zhí)行邏輯運算和轉換的邏輯電路。邏輯電路的基本單元是門電路和觸發(fā)電路。觸發(fā)電路主要由各種門電路組成，是數(shù)字集成電路的基本單元。

依照基本單元電路的工作特點不同，分為三種類型：飽和型邏輯（RTL，DTL，TTL）、抗飽和型邏輯（STTL）、非飽和型邏輯（ECL）。本文主要介紹RTL，DTL，TTL三種邏輯電路。

下面介紹一下，同類型邏輯電路（RTL，DTL，TTL）的不同特點。

第一種：RTL

電阻-晶體管耦合邏輯電路

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第一種是電阻-晶體管耦合邏輯電路（RTL），它是或非門電路。當輸入信號為高電平時，輸出為低電平，輸出為低電平vol=0.2V，采用步進連接時輸出為高電平vol=1V，電路具有速度慢、負載能力低、抗干擾能力差的特點。電路如下圖所示：

圖1電阻-晶體管耦合邏輯電路

第二種：DTL

二極管-晶體管耦合邏輯電路

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第二種是二極管-晶體管耦合邏輯電路（DTL），它是一種與非門電路。只要輸入信號為低電平，則輸出為高電平。只有當所有輸入均為高電平時，輸出才為低電平。對于RTL電路，其負載能力和抗干擾能力有所提高，但電路速度仍然很慢。

圖2二極管-晶體管耦合邏輯電路

第三種：TTL

晶體管-晶體邏輯管

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第三種就是我們用到的TTL與非門，如圖所示，由于輸入級和輸出級均由晶體管組成，故稱為晶體管-晶體邏輯管，簡稱TTL電路。其實，TTL門電路也分很多種，比如說與非門、或非門、與或非門以及OC輸出的與非門。雖然種類多，但是基本的工作原理都是類似的。所以，接下來就介紹一個經(jīng)典的TTL與非門電路。

圖3 典型TTL與非門

又因為在晶體管中參與導電的有兩種極性的載流電子，故這種電路屬于雙極性電路。如圖所示：

圖4多射極晶體管的結構及等效電路

由圖可知：

輸入級：T1是多發(fā)射極晶體管，可以把它看成二極管構成的，如圖4所示。所以根據(jù)圖中就能看出來，輸入級就是一個與門電路：C= D1·D2·D3。只有當 D1、D2、D3都為 1 時，C 才會輸出 1，其余C都為 0。

中間級：由三極管T2和電阻R2、R3組成。在電路的開通過程中利用T2的放大作用，為輸出管T3提供較大的基極電流，加速了輸出管的導通。所以，中間級的作用是提高輸出管的開通速度，改善電路的性能。

輸出級：由三極管T3、T4、T5和電阻R5組成。如圖3所示，圖3中T5三極管非門電路，圖3中T3、T5是TTL與非門電路中的輸出級。從圖中可以看出，輸出級由三極管T5實現(xiàn)邏輯非的運算。但在輸出級電路中用三極管T4、T3和R4組成的有源負載替代了三極管非門電路中的R4，目的是使輸出級具有較強的負載能力。其中T4可以起到三極管反向擊穿的保護作用。

TTL電平原理

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TTL電平信號被利用的最多是因為通常數(shù)據(jù)表示采用二進制規(guī)定, +5V等價于邏輯“1”，0V等價于邏輯“0”，這被稱做TTL(Transistor- Transistor Logic 晶體管-晶體管邏輯電平)信號系統(tǒng)，這是計算機處理器控制的設備內(nèi)部各部分之間通信的標準技術。

首先，由計算機處理器控制的設備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸具有低功耗要求和低熱損耗，此外，TTL電平信號直接連接到集成電路，無需昂貴的線路驅動器和接收器電路。此外，由于計算機處理器控制的設備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸以高速進行，TTL接口的操作剛好可以滿足這一要求，所以TTL電平對于計算機處理器的控制設備是很好的選擇。

TTL型通信大多數(shù)情況下，是采用并行數(shù)據(jù)傳輸方式，而這種傳輸方式對于超過10英尺的距離就不太適用了。這是由于可靠性和成本兩面的原因。因為在并行接口中存在著偏相和不對稱的問題，這些問題對可靠性均有影響。

TTL輸出高電平>2.4V，輸出低電平<0.4V。在室溫下，一般輸出高電平是3.5V ，輸出低電平是0.2V。最小輸入高電平和低電平：輸入高電平>-2.0V，輸入低電平<=0.8V，噪聲容限是0.4V。

TTL電路是電流控制器件，TTL電路的速度快，傳輸延遲時間短(5-10ns)，但是功耗大。

TTL器件輸出低電平要小于0.8V，高電平要大于2.4V。輸入：低于1.2V就認為是0，高于2.0就認為是1。

其他常見的TTL應用是四管單元TTL與非門，STTL和LSTTL電路，LSTTL等。