TTL非门与电路设计

一、电路组成

图6.4.1所示为典型高速系列TTL与非门电路及逻辑符号。图中A、B为输入端，Y为输出端。电路主要由输入级、中间级和输出级共三部分组成。

图6.4.1　典型TTL与非门电路及逻辑符号

（a）电路图；（b）逻辑符号

输入级由多发射极晶体管VT1和电阻R1组成，其功能是对输入变量A、B实现与运算。VD1和VD2两个正极接地的钳位二极管用于抑制输入端出现的负极性干扰脉冲，当输入端因干扰或电容充放电所产生的负电压太大时，二极管导通，使输入电压被钳位在－0.7V，因此保护了输入三极管。而当输入信号为正时，二极管截止，不起作用。

中间级由晶体管VT2和电阻R2、R3组成，它的作用是将输入级送来的信号通过VT2的集电极和发射极分成两路逻辑电平相反的信号输出，用来控制输出晶体管VT4、VT5的工作状态。

输出级由VT3、VT4、VT5和R4、R5组成。VT3、VT4组成的复合管和VT5工作在相反的状态，即一个截止，另一个饱和。

二、工作原理

1.输入端有低电平时

当输入端A、B至少有一个低电平UIL＝0.3V时，接低电平的发射结导通，则VT1的基极电位VB1＝UBE1＋UIL＝0.7＋0.3＝1V。而要使VT1的集电结、VT2和VT5的发射结同时导通，VB1至少等于2.1V，因此，VT2和VT5截止，IC2≈0，虽然VCC通过R2向VT3提供基极电流，但R2中的电流很小，其两端的压降可忽略，故有VC2＝VCC－UR2≈5V。该电压使VT3和VT4导通，输出Y为高电平。其值为

uO＝UOH＝VC2－UBE3－UBE4＝5－0.7－0.7＝3.6(V)

当uO＝UOH时，称与非门处于关闭状态。

2.输入都为高电平时

当输入端A、B都接高电平UIH＝3.6V时，VT1的基极电位VB1最高不会超过2.1V。因为此时电源VCC通过R1使VT1的集电结、VT2和VT5的发射结同时导通，将VB1钳位在VB1＝UBC1＋UBE2＋UBE5＝0.7＋0.7＋0.7＝2.1（V），由此可知，VT1的所有发射结均截止。而VCC通过R1、VT1的集电结向VT2和VT5提供足够大的电流，VT2和VT5处于饱和状态，VT2的集电极电位为：VC2＝UCE（sat）2＋UBE5＝0.3V＋0.7V＝1V。由于R5的存在，VT3导通，而VT4处于截止状态。在VT4截止、VT5饱和的情况下，输出Y为低电平。其值为

uO＝UOL＝UCE(sat)5＝0.3(V)

当uO＝UOL时，称与非门处于开通状态。

综上所述，当输入端有低电平0时，输出为高电平（3.6V）；当输入端都为高电平时，输出为低电平（0.3V）。因此，该电路的输出与输入之间满足与非逻辑运算关系，其逻辑表达式为

说明：TTL电路的某输入端悬空时，通过分析可知，可以等效看作将该端接入逻辑高电平。但为了提高电路的抗干扰能力，应对输入端进行相应处理。

三、TTL与非门的电气特性

1.电压传输特性

TTL与非门输出电压与输入电压之间关系的特性曲线称为电压传输特性。如图6.4.2所示，可将特性曲线划分为4段：AB、BC、CD、DE。

图6.4.2　TTL与非门的电压传输特性

（1）截止区：AB段。

当输入uI＜0.6V时，VT1的基极电压VB1＜0.6V＋0.7V，VT2、VT5均截止，VT3、VT4导通，输出电压uO＝UOH＝3.6V。

（2）线性区：BC段。

当输入0.6V≤uI＜1.4V时，由于VT2发射极通过电阻R3接地，VT2导通，工作在放大区，但VT5仍然截止，VC2随uI增加而下降，经过VT3和VT4使输出uO随输入uI的增加而线性下降。

（3）转折区：CD段。

当输入uI≈1.4V时，VT5开始导通并很快转为饱和，输出uO急剧下降，迅速变为低电平。

（4）饱和区：DE段。

当输入uI＞1.4V时，VT2和VT5饱和，VT3、VT4截止，输出电压uO＝UOL＝UCE（sat）5＝0.3V。

2.输入负载特性

将输入电压uI随输入端对地外接电阻RI变化的曲线，称为输入负载特性。

在实际应用中，经常会遇到输入端通过电阻接地的情况，等效电路如图6.4.3（a）所示，图中BE2和BE5是三极管VT2和VT5发射结等效电路。在VT2和VT5导通以前，uI随电阻RI的增大而上升，；当RI增大使uI＝1.4V时，VT1的基极电位被钳位在2.1V，VT2和VT5导通，输出uO＝UOL。此后，输入电压uI不再随RI增大而升高，uI随RI变化的曲线如图6.4.3（b）所示。

由以上分析可知，改变输入对地所接电阻R1的值，可改变电路的输出状态。使TTL与非门保持关闭，维持输出为高电平时RI的最大值称为关门电阻，用ROFF表示。只要RI＜ROFF，与非门便处于关闭状态。同样，使TTL与非门保持开通，维持输出为低电平时RI的最小值称为开门电阻，用RON表示。只要RI＞RON，与非门便处于开通状态。

图6.4.3　TTL与非门的输入负载特性

（a）电路图；（b）输入负载特性(www.xing528.com)

3.输出负载特性

输出负载特性是指描述输出电压uO随负载电流iL变化的特性曲线。

与非门电路输出端所带的负载通常为多个外接同类门电路，这类负载主要有两种形式：一类是负载电流流入与非门的输出端，称为灌电流负载；另一类是负载电流从与非门输出端流向外接负载，称为拉电流负载。

（1）输出为低电平的负载特性。

当输入都为高电平时，输出为低电平，这时VT4截止，VT5饱和导通，各个外接负载门的输入低电平电流IIL都流入VT5的集电极，称为灌电流。当外接负载门的数量增多时，流入VT5集电极的电流随之增大，与非门输出的低电平UOL会稍有上升，只要不超过输出低电平允许的上限值UOL（max），其正常逻辑功能不会被破坏。其输出为低电平的输出等效电路和输出负载特性曲线如图6.4.4所示。

（2）输出为高电平的负载特性。

当输入为低电平时，输出为高电平，这时VT5截止，VT4饱和导通，与非门输出的高电平电流IOH从输出端流向各个外接负载门，称为拉电流。当外接负载门的数量增多时，被拉出的电流随之增大，R4上的压降上升，与非门输出的高电平UOH会随之下降，只要不低于输出高电平允许的下限值UOH（min），其正常逻辑功能不会被破坏。其输出为高电平的输出等效电路和输出负载特性曲线如图6.4.5所示。

图6.4.4　输出低电平的等效电路和输出负载特性曲线

（a）输出等效电路；（b）输出负载特性曲线

图6.4.5　输出高电平的等效电路和输出负载特性曲线

（a）输出等效电路；（b）输出负载特性曲线

四、TTL与非门的主要参数

1.阈值电压UTH

电压传输特性曲线转折区对应的输入电压称为阈值电压，用UTH表示。典型TTL与非门的UTH≈1.4V。在近似分析时可认为：当uI＞UTH时，与非门开通，输出为低电平；当uI＜UTH时，与非门关闭，输出为高电平。

2.开门电压UON和关门电压UOFF

UON指在额定负载下，使电路的输出达到标准低电平时，允许输入高电压的最小值。UOFF指在额定负载下，使电路的输出达到标准高电平时，允许输入低电压的最大值。

一般情况下，典型TTL与非门UOFF＝0.8V，UON＝1.8V。也就是说当输入电压受到干扰而使高电平下降或使低电平上升时，只要高电平不下降到1.8V以下，低电平不上升到0.8V以上，门电路仍能正常工作。

3.输出高电平UOH和输出低电平UOL

与非门至少有一个输入端接低电平时的输出电压称为输出高电平UOH。一般在2.4～3.6V，典型值约为3.6V。与非门所有输入端接高电平时的输出电压称为输出低电平UOL。一般在0～0.5V，典型值约为0.3V。

注意：不同型号的TTL与非门，其内部结构有所不同，故其UOH和UOL也不一样；即使同一个与非门，其UOH和UOL也随负载的变化表现出不同的值。

4.平均传输延迟时间tpd

平均传输延迟时间tpd是一个反映门电路工作速度的重要参数。当输入脉冲信号时，由于三极管内部存储电荷的积累和消散都需要一定的时间等因素，其输出脉冲波形uO比输入波形延迟了一定的时间，如图6.4.6所示。

图6.4.6　TTL与非门的传输延迟时间

从输入uI波形上升沿的0.5UIm处到输出uO波形下降沿的0.5UOm处之间的时间，称为导通延迟时间，用tPHL表示。从输入uI波形下降沿的0.5UIm处到输出uO波形上升沿的0.5UOm处之间的时间，称为截止延迟时间，用tPLH表示。平均传输延迟时间tpd为tPHL和tPLH的平均值

平均传输延迟时间越小，门电路的响应速度越快，其工作频率也越高。

5.噪声容限UN

噪声容限表示门电路的抗干扰能力，是指门电路在输入电平上允许叠加多大的噪声电压下仍能正常工作。

输入高电平噪声容限UNH是指输出为额定低电平时，允许在输入高电平上叠加的最大负向噪声电平，用UNH表示，UNH＝UIH－UON。

其中，UIH为输入高电平的标准值，TTL典型值为3V；UON为开门电压。

输入低电平噪声容限UNL是指输出为额定高电平时，允许在输入低电平上叠加的最大正向噪声电平，用UNL表示，UNL＝UOFF－UIL。

其中，UIL为输入低电平的标准值，TTL典型值为0.3V；UOFF为关门电压。

6.扇入系数NI与扇出系数NO

扇入系数NI是门电路的输入端数，一般NI≤5。

扇出系数NO是在保证门电路输出正确逻辑电平和不出现过功耗的前提下，其输出端允许连接的同类门电路的输入端数。一般NO≥8，NO越大，表示带负载的能力越强。如用IO（max）表示驱动门的最大允许输出电流，用II表示负载门的输入电流，则。

注意：如果输出高电平扇出系数和输出低电平扇出系数NOL＝不等时，常取二者中的最小值。