利用TTL与非门实现电路功能

在双极型数字集成电路中应用最广泛的是TTL电路，而与非门则是TTL的基本电路形式，现通过对TTL与非门的分析，来了解TTL门电路的结构特点及外部特性。

1）电路结构

54/74系列TTL集成与非门的典型电路如图3.32（a）所示，逻辑符号如图3.32（b）所示。该电路可分解为三个组成部分。

图3.32　典型的TTL与非门

（1）输入级

由多发射极晶体管VT1和电阻R1组成，实现“与”逻辑功能。

（2）中间级

由晶体管VT2和电阻R2、R3组成，其主要作用是从VT2管的集电极和发射极同时输出两个相位相反的信号，分别驱动VT3、VT5。

（3）输出级

由晶体管VT3、VT4、VT5和电阻R4、R5组成。VT5是个反相器，VT3、VT4组成复合管构成一个射极跟随器，作为VT5管的有源负载，这种输出通常称之为推拉式输出电路或图腾输出，具有很小的输出电阻，带负载能力较强。

2）逻辑功能

当输入全部为高电平（3.6 V）时的工作情况如图3.33（a）所示，这时，输出管VT5处于饱和导通状态，因而输出为低电平（0.3 V）。一般称此为导通状态或开门状态（简称开态）。

图3.33　典型TTL与非门的工作情况

当输入至少有一个输入端为低电平（0.3 V）时的工作情况如图3.33（b）所示，这时，输出高电平（3.6 V），由于在此状态下输出管VT5截止，故称此为截止状态或关门状态（简称关态）。

根据电路的工作情况，可做出图3.32电路的逻辑电平表（见表3.9）。当采用正逻辑约定时，便可得到逻辑真值表（见表3.10），其逻辑表达式为

表3.9 图3.32电路的逻辑电平表

表3.10　正与非门的真值表

3）电气特性

图3.34　TTL与非门的电压传输特性

（1）电压传输特性

电压传输特性是描述输出电压与输入电压之间对应关系的曲线。基本型TTL与非门的电压传输特性如图3.34所示，一般将电压传输特性分为AB段（截止区）、BC段（线性区）、CD段（过渡区）和DE段（饱和区）四个区段。由图可见，输出的高电平UOH=3.6 V，输出的低电平UOL=0.3 V。为确保门电路的正常工作，通常规定输出高电平的下限值UOHmin=2.4 V，输出低电平的上限值UOLmax=0.4 V。根据这两个值可以从电压传输特性上查出相对应的UILmax和UIHmin。当uI＜UILmax时，电路处于关门状态（因此UILmax也称为关门电平UOFF），输出高电平；当uI＞UIHmin时，电路则处于开门状态（UIHmin也称为开门电平UON），输出低电平。电压传输特性中CD段的中点所对应的输入电压叫阈值电压UT（或门槛电压），UT=1.4 V。

实际使用中，由于存在各种干扰电压，因此将影响到输入低电平或高电平的数值，当输入端干扰电压超过一定限度时，就可能会破坏与非门输出的逻辑状态。从电压传输特性中可以看到，当输入低电平时，若干扰使实际输入的低电平值不超过UILmax，电路的关态不会受到破坏；当输入高电平时，若干扰使实际输入的高电平值不低于UIHmin，电路的开态也不会受到破坏。

为消除电压传输特性上BC段线性区，改进型的TTL与非门引入了有源泄放电路、抗饱和电路、肖特基势垒二极管等等，使得电压传输特性具有快速的、理想化的跃变特性。

（2）输入端负载特性

与非门在实际应用中，其输入端有时要经过外接电阻R接地，如图3.35所示，此时有电流流过电阻R，并在电阻上产生电压降，这时，当电阻R由0增至∞时，与非门的输出状态将由高电平转为低电平。这就表明，输入端虽不曾直接接入输入电压，但其效果却与接输入电压相类似，当电阻R由0增至∞，就相当于输入端由低电平转变为高电平，由此可以推断，电阻R在大于0的某个范围内相当于输入低电平，而在小于∞的某个范围内却相当于输入高电平，我们把相当于低电平输入的最大电阻称为关门电阻ROFF（约700Ω），因为此时与非门处于关态；而把相当于高电平输入的最小电阻称为开门电阻RON（约2 kΩ），因为此时与非门处于开态。即若输入端电阻R＜ROFF时，可保证门电路输入为低电平；若输入电阻R＞RON，则可保证输入为高电平。上述结论对于各种TTL门电路都是适合的，因此，在TTL门电路中，输入端悬空（R=∞）等效输入高电平。但在实际应用中，处理多余需接高电平的输入端时，往往不悬空，因为悬空可能引入干扰。

图3.35　R对门工作状态的影响

图3.36　TTL与非门输出端接负载

（3）输出端负载特性(www.xing528.com)

若在TTL与非门的输出端接上负载（见图3.36），就要产生负载电流，此电流也在影响输出电压的大小。由输出电压与负载电流之间的关系，可得到输出端的负载特性曲线，见图3.37。

图3.37　TTL与非门的负载特性

当TTL与非门输出高电平时，形成拉电流负载；随着负载电流的增加，输出高电平将逐渐下降，以至无法保证正常的高电平输出；而当TTL与非门输出低电平时，形成灌电流负载，随着负载电流的增加，输出的低电平将逐渐上升，以致无法保证正常低电平的输出。由此可见，要保证输出正常的高、低电平，TTL与非门所能提供的负载电流是有限的，即TTL门电路带负载的能力是有限的，如超出能力范围，将造成逻辑功能的混乱。通常，把一个门最多可以驱动几个同类门的数目称其为门电路的扇出系数NO。以此来衡量一个门的带负载能力。显然，NO越大，驱动同类门的数目就越多，所能提供的负载电流也就越大，则带负载能力就越强。

图3.38　TTL与非门的传输时间

（4）传输时间

由于TTL门电路中各级三极管存在着一定的开关时间等原因，使得其输出不能立即响应输入信号的变化，而有一定的延迟，如图3.38所示。

通常把输出波形相对于输入波形滞后的时间，称为传输延迟时间（又称为传输时间）。其中，tPHL为输出高电平跳变为低电平的导通传输时间，tPLH为输出低电平跳变为高电平的截止传输时间。手册上通常给出的是平均传输时间tpd，其表达式为：

由于tpd的数值很难准确计算，所以，一般都是用实验方法测定的。

为了方便实现各种逻辑关系，TTL门电路除了与非门以外，还有其他逻辑功能的门电路，如与门、或门、或非门、与或非门、异或门和同或门（异或非门）等等。这些门电路，除逻辑功能和与非门存在差异外，其输入端负载特性和输出端负载特性等方面均和与非门类似，因此，不再一一赘述。

4）主要参数

（1）输出高电平UOH

UOH是指与非门有一个（或几个）输入端为低电平时的输出电平值，典型值为3.6 V，最小值为2.4 V。

（2）输出低电平UOL

UOL是指与非门输入全部为高电平时的输出低电平值，典型值为0.3 V，最大值为0.4 V。

（3）输入短路电流IIL

IIL是指当有一输入端接地，其余输入端悬空时，流出这个输入端的电流，典型值为1.4 mA。

（4）输入漏电流IIH

IIH是指当一个输入端接高电平，其余输入端接地时，流入这个输入端的电流，典型值为10μA。

（5）开门电平UIHmin

输出为标准低电平时，所允许的最小输入高电平值，一般记作UON，典型值为1.8 V。

（6）关门电平UILmax

输出为标准高电平时，所允许的最大输入低电平值，一般记作UOFF，典型值为0.8 V。

（7）扇出系数NO

能够驱动同类型门的个数，典型值为8。

（8）空载导通功耗PO

输出为低电平且不加负载时的功耗。

（9）平均传输时间tpd

产品型号不同，tpd差异很大，一般在几至几十纳秒量级。

（10）输入信号噪声容限UN

这是衡量门电路抗干扰能力的参数，分为输入低电平时的噪声容限（UNL）和输入高电平时的噪声容限（UNH）。

输入低电平时的噪声容限为：UNL=UOFF-UIL。

输入高电平时的噪声容限为：UNH=UIH-UON。