TTL与非门电路简介及优化

1.电路组成

如图3－1所示，TTL集成与非门电路可分为三部分。

（1）输入级：由多发射极的三极管T1和电阻R1组成。多发射极管的三个发射结为三个PN结，实现“与”逻辑功能。

（2）中间级：由R2、R3、T2组成，为倒相级，满足输出级互补工作要求。

图3－1　TTL集成与非门电路及逻辑符号

（a）电路；（b）逻辑符号

（3）输出级：由T3、T4、T5组成，为推拉式输出电路。

2.工作原理

设电源电压V CC＝5 V，输入高电平U IH＝3.6 V，低电平U IL＝0.3 V，三极管发射极的正向压降为0.7 V。

1）输入全部为高电平

TTL与非门输入全部为高电平的工作状态如图3－2所示，电源V CC通过R1足以使T1的集电结和T2、T5的发射结导通，并且T2、T5饱和。因此T2的集电极电位：

U C2＝U BE2＋U CE2＝0.7＋0.3＝1（V）

三极管T4截止，F输出低电平U OL＝0.3 V。

图3－2　输入全为高电平

此时，T1基极电位被钳在U B1＝U BC1＋U BE2＋U BE5＝0.7＋0.7＋0.7＝2.1（V），而T1集电极电压U B2＝U BE5＋U BE2＝0.7＋0.7＝1.4（V），低于发射极电压3.6 V，管子倒置工作，T2的集电极压降U C2＝U CE2＋U BE5＝0.3＋0.7＝1（V），可以使T3导通，但T4不能导通。因此输出为低电平，U O＝U OL＝U CE5≈0.3（V）。

电路实现了“输入全为高电平，输出为低电平”的逻辑关系，即输入全“1”，输出为“0”的与非门逻辑功能。

2）输入至少有一个为低电平

当输入至少有一个为低电平（0.3 V）时，由图3－3可知，电源V CC经R1向T1提供较大的基极电流，使其工作在饱和状态，U B1＝1 V，使T2、T5均截止，而T2的集电极电压足以使T3、T4导通。因此输出为高电平：

U O＝U OH≈＋V CC－（U BE3＋U BE4）＝5－（0.7＋0.7）＝3.6（V）

图3－3　输入至少有一个为低电平

电路实现了“输入有低电平，输出为高电平”的逻辑关系，即输入有“0”，输出为“1”的与非门逻辑功能。(www.xing528.com)

知识链接

集成逻辑门按构成门电路的开关元件不同，可分成单极型逻辑门电路和双极型逻辑门电路两大类，以二极管、三极管为开关元件，电流通过PN结的逻辑门电路称为双极型逻辑门电路，目前应用最广泛的是TTL电路。以MOS管为开关元件，电流不是通过PN结，而是通过导电沟道流动的门电路称为单极型门电路，目前应用最广泛的是CMOS电路。

3.TTL与非门的外特性及主要参数

1）电压传输特性

TTL与非门测试电路及电压传输特性如图3－4所示。

图3－4　TTL与非门测试电路及电压传输特性

（a）测试电路；（b）电压传输特性

2）主要参数

（1）输出高电平U OH和输出低电平U OL。电压传输特性曲线输出高电平为U OH，典型值为3.6 V。输出低电平为U OL，典型值为0.3 V，一般产品规定U OH≥2.4 V，U OL＜0.4 V。

（2）关门电平U OFF和开门电平U ON及阈值电压U T。由于器件制造的差异，输出高电平、输入低电平都略有差异，通常规定TTL与非门输出高电平U OH＝3.6 V和输出低电平U OL＝0.31 V为额定逻辑高、低电平，在保证输出为额定高电平的90%（3.24 V）的条件下，允许输入低电平的最大值，称为关门电平U OFF。通常U OFF≈1 V，一般产品要求U OFF≥0.8 V。在保证输出额定低电平（0.31 V）的条件下，允许输入高电平的最小值，称为开门电平U ON。通常U ON≈1.4 V，一般产品要求U ON≤1.8 V。

电压传输特性曲线转折区中点所对应的输入电压为U T，也称门槛电压。一般TTL与非门的U T≈1.4 V。

（3）噪声容限U NL、U NH。在实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平U I偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。它是用来说明门电路抗干扰能力的参数。

低电平噪声容限是指在保证输出为高电平的前提下，允许叠加在输入低电平U IL上的最大正向干扰（或噪声）电压。低电平噪声容限用U NL表示：U NL＝U OFF－U IL。

高电平噪声容限是指在保证输出为低电平的前提下，允许叠加在输入高电平U IH上的最大负向干扰（或噪声）电压。高电平噪声容限用U NH表示：U NH＝U IH－U ON。

很显然，U NL和U NH越大，电路的抗干扰能力越强。从电压传输特性曲线可以求U NL、U NH的大小，如图3－5所示。

图3－5　噪声容限

图3－6　扇出系数

（4）扇出系数N。如图3－6所示，扇出系数是以同一型号的与非门作为负载时，一个与非门能够驱动同类与非门的最大数目N，通常N＝5～12。

（5）门传输延迟时间t pd。门传输延迟时间是指输出信号滞后于输入信号的时间（信号经过一级门所需的时间），它是表示门的开关速度。

（6）空载功耗。空载功耗是指TTL与非门空载时电源总电压与总电流的乘积。

以上这些参数，可以从集成电路手册中查到。