晶体管-晶体管逻辑(TTL)的基础知识

门是使用半导体器件制造的，例如BJT、二极管或FET，使用集成电路可以构建不同的门，像是NAND、NOR这样的逻辑门在日常应用中用于执行逻辑运算。

其中，数字逻辑电路的制造取决于特定的电路技术或逻辑系列，不同的逻辑系列包括RTL(电阻晶体管逻辑)、DTL(二极管晶体管逻辑)、TTL(晶体管-晶体管逻辑)、ECL(发射极耦合逻辑)和CMOS(互补金属氧化物半导体逻辑)，一般RTL和DTL很少被使用。本文简单介绍下晶体管-晶体管逻辑或(TTL)的相关基础内容。

历史演变

晶体管-晶体管逻辑由“James L. Buie of TRW”于1961年发明，它适用于开发新的集成电路。这个TTL的实际名称是TCTL，意思是晶体管耦合晶体管逻辑。1963年，第一批商用TTL器件是由“Sylvania”设计的，被称为SUHL或“Sylvinia通用高级逻辑家族”。

1964年德州仪器工程师推出军用温度范围的5400系列IC后，晶体管-晶体管逻辑开始大受欢迎。之后，7400系列于1966年通过更窄的范围推出。

德州仪器推出的7400系列的兼容部件由美国国家半导体、AMD、英特尔、仙童、Signetics、Intersil、Mullard、SGS-Thomson、西门子等多家公司设计。另外，IBM公司还推出了使用TTL供自己使用的非兼容电路。

晶体管-晶体管逻辑通过在大约二十年内缓慢提高速度和功率利用率而应用于许多双极逻辑代。通常情况下，每个TTL芯片都包含数百个晶体管，单个封装中的功能范围从逻辑门到微处理器。

而像Kenbak-1这样的第一台PC使用晶体管-晶体管逻辑作为其CPU的替代微处理器。在1970年，Datapoint 2200被使用TTL组件，它是8008和之后的x86指令集的基础。

Xerox alto在1973年推出的图形用户界面以及1981年推出的星型工作站都使用了TTL电路，这些电路在ALU级别合并。

基本概念

晶体管-晶体管逻辑 (TTL) 是由BJT(双极结型晶体管)组成的逻辑系列。顾名思义，晶体管执行两个功能，如逻辑和放大。TTL的最佳示例是逻辑门，即7402或非门和7400与非门。

晶体管-晶体管逻辑包括多个晶体管，这些晶体管具有多个发射器和多个输入。晶体管逻辑的类型主要包括标准TTL、快速TTL、肖特基TTL、高功率TTL、低功率TTL和高级肖特基TTL。

TTL逻辑门的设计可以用电阻和BJT来完成。另外，有几种TTL变体是为不同目的而开发的，例如用于空间应用的抗辐射TTL封装和可以提供速度和更低功耗的出色组合的低功率肖特基二极管。

主要类型

如上所述，晶体管-晶体管逻辑有不同的类型，这些分类是根据输出来设定的，包括：

标准TTL

高速TTL

肖特基TTL

大功率TTL

低功耗TTL

高级肖特基TTL。

低功耗TTL以33ns的开关速度运行，可将功耗降低至1mW。目前，它是通过CMOS逻辑取代的。

与6ns等普通TTL相比，高速TTL具有更快的切换速度。但是，它的功耗很高，如22mW。

肖特基TTL于1969年推出，用于通过在栅极端子处使用肖特基二极管钳位来避免电荷存储以提高开关时间。这些栅极端子的工作时间为3ns，但具有19mW等高功耗。

低功率TTL使用来自它的高电阻值，肖特基二极管将提供良好的速度混合以及降低的功率利用率，如2mW。这是最通用的TTL类型，在微型计算机中用作胶合逻辑，基本上取代了过去的子家族，如L、H和S。

高速TTL用于增加从低到高的转换，这些家族相应地获得了4pJ和10pJ的PDP，用于3.3V电源以及存储器接口的LVTTL(低压TTL)。

大多数制造商会提供更广泛的温度范围。例如，德州仪器7400系列部件的温度范围为0–70°C，而5400系列的温度范围为-55至125°C。具有高可靠性和特殊品质的部件可用于航空航天和军事应用，例如SNJ54系列的辐射装置则用于空间应用。

主要特点

晶体管-晶体管逻辑的特点包括以下几点内容：

扇出：在不影响其通常性能的情况下，GATE的输出可以驱动的负载数量。负载是指连接到给定门输出的另一个门的输入所需的电流量。

功耗：表示设备所需的功率量，以mW为单位。它通常是电源电压与输出高或低时消耗的平均电流的乘积。

传播延迟：表示输入电平变化时经过的转换时间，输出进行转换所发生的延迟是传播延迟。

噪声容限：表示输入允许的噪声电压量，不影响标准输出。

主要分类

晶体管-晶体管逻辑是一个完全由晶体管组成的逻辑系列，采用具有多个发射极的晶体管。在商业上，它从74系列开始，如7404、74S86等。根据输出方式进行分类，可以分为集电极开路输出、图腾柱输出以及三态门输出。

1、集电极开路输出

主要特点是其输出低电平时为0，高电平时为悬空。通常情况下，可以应用外部Vcc，其电路图如下：

晶体管Q1表现为背靠背放置的一组二极管。任何输入处于逻辑低电平时，相应的发射极-基极结正向偏置，Q1基极上的电压降约为0.9V，不足以使晶体管Q2和Q3导通。因此输出要么是浮动的要么是Vcc，即高电平。

同样，当所有输入为高时，Q1的所有基极-发射极结都反向偏置，晶体管Q2和Q3获得足够的基极电流并处于饱和模式。输出为逻辑低(为了使晶体管达到饱和，集电极电流应大于基极电流的β倍)。

集电极开路输出的应用包括以下内容：

应用于驱动灯或继电器

应用于执行有线逻辑

应用于公共总线系统建设

2、图腾柱输出

图腾柱意味着在门的输出中添加有源上拉电路，从而减少传播延迟，电路图如下所示：

在上图中，逻辑运算与集电极开路输出相同。晶体管Q4和二极管的使用是为了对Q3上的寄生电容进行快速充电和放电。电阻器用于将输出电流保持在安全值。

3、三态门输出

它提供3种状态输出，如下所示：

下晶体管导通而上晶体管关断时的低电平状态。

下晶体管截止，上晶体管导通时的高电平状态。

当两个晶体管都关闭时的第三个状态，它允许直接连接许多输出。

主要功能

晶体管-晶体管逻辑系列的特性包括以下几点内容：

逻辑低电平为0或0.2V。

逻辑高电平为5V。

典型的扇出10，这意味着它的输出最多可以支持10个门。

一个基本的TTL器件消耗近10mW的功率，但随着使用肖特基器件而降低。

平均传播延迟约为9ns。

噪声容限约为0.4V。

另外，晶体管-晶体管逻辑系列IC大多以7系列开头，包括上说的6个子族(分类)。在任何TTL设备命名法中，前两个名称表示设备所属的子系列的名称，前两位数字表示工作温度范围，接下来的两个字母表示设备所属的子系列，而最后两位数字表示芯片执行的逻辑功能。例如，74LS02-2是无输入NOR门，74LS10-Triple是3输入NAND门。

典型的应用电路

逻辑门用于日常生活中的干衣机、计算机打印机、门铃等应用。下面给出了使用TTL逻辑实现的2个基本逻辑门。

1、或非门

假设输入A处于逻辑高电平，相应晶体管的发射极-基极结反向偏置，基极-集电极结正向偏置。晶体管Q3从电源电压Vcc获得基极电流并达到饱和。由于Q3的低集电极电压，晶体管Q5截止。

此外，如果另一个输入为低电平，则Q4截止，相应地Q5截止，输出通过晶体管Q3直接连接到地。同样，当两个输入均为逻辑低电平时，输出将处于逻辑高电平，如下图所示：

2、非门

当输入为低电平时，相应的基极-发射结正向偏置，基极-集电极结反向偏置。结果晶体管Q2被切断，晶体管Q4也被切断。晶体管Q3达到饱和，二极管D2开始导通，输出连接到Vcc并变为逻辑高电平。同样，当输入为逻辑高时，输出为逻辑低，如下图所示：

TTL与其他逻辑系列的比较

通常情况下，与CMOS器件相比，TTL器件使用更多的功率，但是对于CMOS器件，功率利用率并没有通过时钟速度来提高。而与当前的ECL电路相比，TTL使用低功耗，但设计规则简单，速度明显较慢。

因此，现在很多制造商将TTL和ECL设备结合在同一系统中以获得最佳性能，但在这两个逻辑系列中，电平转换等设备是必要的。与早期的CMOS器件相比，TTL对静电放电损坏的敏感性较低。

由于TTL器件的o/p结构，o/p阻抗在低和高状态之间是不对称的，不适合驱动传输线。所以，在需要通过电缆传输信号的地方，通过使用特殊的线路驱动器设备缓冲o/p来克服这个缺点。

一旦较高和较低的晶体管都导通，TTL的图腾柱o/p结构通常会快速重叠，这会导致从电源汲取大量电流信号。这些信号可以在多个IC封装之间以突发方式连接，从而导致性能降低和噪声容限降低。通常情况下，TTL系统为每一个或两个IC封装使用一个去耦电容器，因此来自一个 TTL芯片的电流信号不会立即降低另一个 TTL芯片的电源电压。

目前，许多设计人员通过TTL兼容的i/p和o/p电平通过与相应TTL组件相关的部件号(包括相同的引脚排列)来提供CMOS逻辑等效物。因此，例如，74HCT00 系列将为7400双极系列部件提供多种替代品，但采用的是CMOS 技术。

TTL与其他逻辑系列在不同规格方面的比较包括以下内容：

优缺点

晶体管-晶体管逻辑的主要好处是可以轻松地与其他电路连接，并且由于某些电压电平以及良好的噪声容限，可以生成复杂的逻辑功能TTL具有良好的功能，例如扇入，这意味着可以通过输入接收。

另外，晶体管-晶体管逻辑不受固定放电的伤害，这点不同于CMOS，因此与CMOS相比，TTL更加经济划算。

TTL的主要缺点是电流利用率高，TTL的高电流需求会导致具有攻击性，因为o/p状态将被关闭。所以，即使使用不同的TTL版本，低电流消耗也将与CMOS有相当激励的竞争。

随着CMOS时代到来，TTL应用已经逐渐被CMOS取代。但是，TTL仍然在应用程序中使用，因为它们是非常强大的逻辑门并且相当便宜。

主要应用

TTL的应用包括以下内容。

用于控制器应用以提供0至5Vs

用作驱动灯和继电器的开关器件

用于DEC VAX 等微型计算机的处理器

用于打印机和视频显示终端

总结

晶体管-晶体管逻辑是一组保持逻辑状态以及使用BJT实现开关的IC，也是如此广泛使用的原因之一，因为与CMOS和DTL相比，它们价格低廉、速度更快且可靠性高。此外，TTL通过具有多个输入的栅极中的多个发射极使用晶体管。