TTL或非門、集電極開路門和三態(tài)門電路

TTL或非門、集電極開路門和三態(tài)門電路

1.TTL或非門

　　下圖為TTL或非門的邏輯電路及其代表符號(hào)。

　　由圖可見(jiàn) ，或非邏輯功能是對(duì)TTL與非門的結(jié)構(gòu)改進(jìn)而來(lái)，即用兩個(gè) 三極管T_2A和T_2B代替T₂。
　　若兩輸入端為低電平，則T_2A和T_2B均將截止 ，i_B3＝0，輸出為高電平。
　　若A、B兩輸入端中有一個(gè)為高電平 ，則T_2A或T_2B將飽和 ，導(dǎo)致i_B3＞0，i_B3便使T₃飽和 ，輸出為低電平。這就實(shí)現(xiàn)了或非功能。即。

2.集電極開路門

　　在工程實(shí)踐中將兩個(gè)門的輸出端并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)與邏輯的功能稱為線與。
　　考察下圖所示的情況。當(dāng)將圖中所示的兩個(gè)邏輯門的輸出連接在一起，并且當(dāng)?shù)谝粋€(gè)門的輸出為高電平（第一個(gè)門的T₄導(dǎo)通），第二個(gè)門的輸出為低電平（第二個(gè)門的T₃導(dǎo)通）時(shí)，正如圖中紅線所示將出現(xiàn)一個(gè)大電流通道，很可能導(dǎo)致晶體管的損壞。

　　為了避免線與時(shí)的產(chǎn)生大電流，可以采用集電極開路門（簡(jiǎn)稱OC門）來(lái)解決 。所謂集電極開路是指從TTL與非門電路的推挽式輸出級(jí)中刪去電壓跟隨器，如下圖所示：

　　對(duì)于一個(gè)兩輸入端的OC門，其在電路中的符號(hào)可用下圖來(lái)表示：

　　為了實(shí)現(xiàn)線與的邏輯功能，可將多個(gè)門電路輸出管T₃的集電極至電源V_CC之間，加一公共的上拉電阻R_P，如下圖所示。為了簡(jiǎn)明起見(jiàn)，圖中以兩個(gè)OC門并聯(lián)為例，其中圖標(biāo)“”表示集電極開路之意。

　　上拉電阻R_p的值可以這樣來(lái)計(jì)算，主要考慮OC門必須驅(qū)動(dòng)一定的拉電流或灌電流負(fù)載。有關(guān)這兩類負(fù)載的概念前已討論，這里仍然適用 ，所不同的是驅(qū)動(dòng)門是由多個(gè)TTL門的輸出端直接并聯(lián)而成。當(dāng)OC門中的一個(gè)TTL門的輸出為低電平 ，其他為高電平時(shí)，灌電流將由一個(gè)輸出BJT（如T₁或T₂）承擔(dān) ，這是一種極限情況，此時(shí)上拉電阻R_P具有限制電流的作用。為保證I_OL不超過(guò)額定值I_OL(max)，必須合理選用R_P的值。例如V_CC＝5V，R_P＝1kΩ，則I_OL＝5mA。
　　另一方面，由于門電路的輸出、輸入電容和接線電容的存在，R_P的大小必將影響OC門的開關(guān)速度。R_P的值愈大，負(fù)載電容的充電時(shí)間常數(shù)亦愈大，因而開關(guān)速度愈慢。R_P的最小值R_P(min)可按下式來(lái)確定
：

R_P的最大值R_P(max)可按下式來(lái)確定：

　　實(shí)際上，R_P的值選在R_P(min)和R_P(max)之間，并且選用靠近R_P(min)的標(biāo)準(zhǔn)值。

　　例：設(shè)TTL與非門74LS01(OC)驅(qū)動(dòng)8個(gè)74LS04（反相器），試確定一合適大小的上拉電阻R_P，設(shè)V_CC=5V。

　　由以上計(jì)算可知R_p的值可在985Ω至18.75kΩ之間選擇 。為使電路有較快的開關(guān)速度，可選用一標(biāo)準(zhǔn)值為１kΩ的電阻器為宜。
　　集電極開路門除了可以實(shí)現(xiàn)多門的線與邏輯關(guān)系外，還可用于直接驅(qū)動(dòng)較大電流的負(fù)載。

3.三態(tài)與非門（TSL）

　　利用OC門雖然可以實(shí)現(xiàn)線與的功能，但外接電阻R_p的選擇要受到一定的限制而不能取得太小，因此影響了工作速度。同時(shí)它省去了有源負(fù)載，使得帶負(fù)載能力下降。為保持推拉式輸出級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，還能作線與聯(lián)接，人們又開發(fā)了一種三態(tài)與非門，它的輸出除了具有一般與非門的兩種狀態(tài)，即輸出電阻較小的高、低電平狀態(tài)外，還具有高輸出電阻的第三狀態(tài)，稱為高阻態(tài)，又稱為禁止態(tài)。

　　一個(gè)簡(jiǎn)單的TSL門的電路如上圖所示。其中CS為片選信號(hào)輸入端，A、B為數(shù)據(jù)輸入端。
　　當(dāng)CS=1時(shí)，TSL門電路中的T₅處于倒置放大狀態(tài) ，T₆飽和，T₇截止，即其集電極相當(dāng)于開路。此時(shí)輸出狀態(tài)將完全取決于數(shù)據(jù)輸入端A、B的狀態(tài)，電路輸出與輸入的邏輯關(guān)系與一般與非門相同。這種狀態(tài)稱為TSL的工作狀態(tài)。
　　當(dāng)CS=0時(shí)T₇導(dǎo)通，使T₄的基極鉗制于低電平。同時(shí)由于低電平的信號(hào)送到T₁的輸入端，迫使T₂和T₃截止 。這樣T₃和T₄均截止，門的輸出端L出現(xiàn)開路，既不是低電平，又不是高電平 ，這就是第三工作狀態(tài)。這樣，當(dāng)CS為高電平時(shí)，TSL門的輸出信號(hào)送到總線 ，而當(dāng)CS為低電平時(shí)，門的輸出與數(shù)據(jù)總線斷開，此時(shí)數(shù)據(jù)總線的狀態(tài)由其他門電路的輸出所決定。

七、改進(jìn)型TTL門電路——抗飽和TTL電路

　　抗飽和TTL電路是目前傳輸速度較高的一類TTL電路。這種電路由于采用肖特基勢(shì)壘二極管SBD鉗位方法來(lái)達(dá)到抗飽和的效果 ，一般稱為SBDTTL電路（簡(jiǎn)稱STTL電路），其傳輸速度遠(yuǎn)比基本TTL電路為高。

肖特基勢(shì)壘二極管的工作特點(diǎn)如下：
　?。?）它和PN結(jié)一樣，同樣具有單向?qū)щ娦?，這種鋁-硅勢(shì)壘二極管導(dǎo)通電流的方向是從鋁到硅。
　?。?）AL－SiSBD的導(dǎo)通閾值電壓較低，約為0.4～0.5V ，比普通硅PN結(jié)約低0.2V。
　?。?）勢(shì)壘二極管的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)是多數(shù)載流子 ，因而電荷存儲(chǔ)效應(yīng)很小。
　　根據(jù)前面的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)知道，BJT工作在飽和時(shí) ，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處在正向偏置，集電結(jié)正向偏置電壓越大，則表明飽和程度越深。
　　為了限制BJT的飽和深度，在BJT的基極和集電極并聯(lián)上一個(gè)導(dǎo)通閾值電壓較低的肖特基二極管，如下圖所示。

　　當(dāng)沒(méi)有SBD時(shí)，隨著基級(jí)電壓的升高，電流沿著藍(lán)線方向流動(dòng)。由于SBD的作用，當(dāng)基級(jí)電壓大于0.4V時(shí)， SBD首先電導(dǎo)通，電流沿著紅線方向流動(dòng)（如下圖所示），從而使T的基極電流不會(huì)過(guò)大（而且使T的集電結(jié)正向偏壓將被鉗制在0.4V左右），因此SBD起到抵抗過(guò)飽和的作用，因而又將這種電路稱為抗飽和電路，使電路的開關(guān)時(shí)間大為縮短。

　　下圖為肖特基TTL（STTL）與非門的典型電路。與基本TTL與非門電路相比，作了若干改進(jìn)。在基本的TTL電路中 ，T₁、T₂和T₃工作在深度飽和區(qū)，管內(nèi)電荷存儲(chǔ)效應(yīng)對(duì)電路的開關(guān)速度影響很大?，F(xiàn)在除T₄外，其余的BJT均采用SBD鉗位，以達(dá)到明顯的抗飽和效果。其次，基本電路中的所有電阻值這里幾乎都減半。這兩項(xiàng)改進(jìn)導(dǎo)致門電路的開關(guān)時(shí)間大為縮短。由于電阻值的減小也必然會(huì)引起門電路功耗的增加。

STTL門電路還有以下三點(diǎn)對(duì)基本TTL電路的性能作了改進(jìn)：
　?。?）二極管D被由T₄和T₅所組成的復(fù)合管所代替，當(dāng)輸出由低電平向高電平過(guò)渡時(shí)，由于復(fù)合管電路的電流增益很大，輸出電阻很小
，從而減小了電路對(duì)負(fù)載電容的充電時(shí)間。
　?。?）電路輸入端所加的SBD—D_A和D_B，用來(lái)減小由門電路之間的連線而引起的雜散信號(hào)。
　　（3）基本電路中的R_e2（1kΩ）改為由T₆與R_c6 、R_b6的組合電路所代替。這個(gè)組合電路是有源非線性電阻。當(dāng)其兩端的電壓（發(fā)射極e2對(duì)地）較低時(shí)，呈現(xiàn)很大的電阻，而當(dāng)其兩端的電壓達(dá)到0.7V左右時(shí)，則呈現(xiàn)很小的電阻。這樣，當(dāng)與非門的全部輸入端由低電平轉(zhuǎn)向高電平時(shí)，有源電阻開始不導(dǎo)通使T₃很快達(dá)到飽和；反之，當(dāng)電路的全部輸入端（或其中之一）由高電平轉(zhuǎn)向低電平時(shí)，T₂和T₃將截止，由于T₃飽和時(shí)，V_BE=0.7V，在轉(zhuǎn)換開始的瞬間，有源電阻的阻值很小
T₃基區(qū)存儲(chǔ)的電荷通過(guò)此低阻回路很快消散。由于這個(gè)緣故，有源非線性電路稱為有源下拉電路 ，它與有源上拉電路是對(duì)應(yīng)的 。意即將 V_BE3從0.7 V很快拉到０V，從而使輸出電壓很快升高，即提高了開關(guān)速度。

　　基于上述特點(diǎn),STTL與非門具有較為理想的傳輸特性。與基本TTL反相器的傳輸特性相比，Ｃ點(diǎn)不再存在了，由Ｂ點(diǎn)直接下降到Ｄ點(diǎn)，即傳輸特性變化非常陡峭，見(jiàn)下圖。

　　除典型的肖特基型（STTL）外，尚有低功耗肖特基型（LSTTL）、先進(jìn)的肖特基型（ASTTL），先進(jìn)的低功耗型（ALSTTL）等，它們的技術(shù)參數(shù)各有特點(diǎn)，是在TTL工藝的發(fā)展過(guò)程中逐步形成的。

TTL門電路的各種系列的性能比較