TTL电平学习笔记

1. TTL电路基本原理

要实现输出电平在0/1之间变换，需要三极管的数量最少只需要一个，而TTL电路使用了4个三极管，用较多的器件去实现相同的功能，必定要有性能上的提升，否则这种电路设计就是一种浪费。对于TTL电路而言，使用成倍的器件需要换来的性能包括以下几点：

a. 提高开关速率

b. 提高带载能力

c. 提高抗干扰性

图1

TTL电路如图1所示，当输入A/B有一个为低电平时（假设为0V），T1管的基极被钳位到0.7V，不足以使得T2、T4管导通，所以T2的集电极电位为高，T3导通，Vout输出为高。当A/B输入都是高电平时（假设为3.6V），则T1的基极电压为4.3V，该电压可以使T2、T4饱和导通，从而T1的基极电位被钳位在2.1V（三个PN结的压降），T4导通后，T4的基极电位为0.7V，T2此时为饱和导通，导致T3的基极电位大概为1V左右，这个电压不足以使得T3和二极管D同时导通，故Vout输出为低电平。

在TTL电路中，使用推挽输出目的是为了增强带载能力；二极管D可以砸T4导通时，防止T3导通导致T3、T4直通；T2的设置主要是为了给T3、T4提供驱动。在Vout由低变高时，T2的基极电荷在T1的作用下被迅速抽走，关断比较快，T2关断，T3即打通。但是T4的基极电荷只能通过R4放电，导致T4关断得比较慢，如此以来，就有一小段T3、T4直通的时间，因此需要增加电阻R3限制短路电流。

2. 为什么T2、T4为饱和导通

首先看T4，T4导通时，其基极电压为0.7V，输出端与后级电路匹配时，Vout通过下一级的R1、T1的发射结上拉到VCC，这个集电极电阻足以使其饱和导通（不行就设置好R1的阻值）。T2是必须要饱和导通的，因为T2工作在放大区会使Vout的输出具有不确定性(影响T3的基极电位)，T2的饱和导通是由其基极电流保证的。如前述，T2导通时，T1的发射结反偏，集电结正偏，三极管T1工作在倒置态。此时T2基极电流与T1基极电流相当，设置R1即可保证使2饱和。

3. 如何理解三极管T1的倒置工作状态

随便翻开一本教材或者TTL的资料，都会写三极管T1在输入为高电平的时候，处于倒置放大的工作状态，这种感觉好像是电路设计者精心这么设计的，故意使用三极管的倒置放大来实现什么目的，但对为什么这么用又没有下文。实际上，这只是对三极管工作状态的一种客观描述。我建议教材不要单独把这个状态单独强调一下，没有什么用还容易误导人，除非把龚总原理给讲清楚。得出以上结论的理由如下：

首先，三极管各个级之间是有寄生电容的，当三极管由导通变为截止时，先要把基极的电荷给放掉，这个放电过程需要时间，直接影响三极管的开关速度，这是前提。

采用TTL电路的解法时，当输入为高电平时，T1倒置放大，T2的饱和由R1保证；当输入由高变低时，T1的基极被钳位到0.7V，由于T2、T4关断需要时间，T1的集电极电位仍保持在1.4V，因此，T1处于放大状态，可以迅速地抽取T2基极的电荷，使T2迅速关断。如果换一种接法，让T1的集电极作为输入，如图2所示：

图2

当T1的输入为高时，T1的基极电位为2.1V，集电结反偏，发射结正偏，该电流可以使得T2饱和导通。当T1的输入由高变低时，T1的基极电位为0.7V，发射极电位为1.4V，T1处于倒置放大状态，此时T2的基极电流显然要小于T1处于放大区的电流，因此T2需要更长的时间关断，影响了其开关速度。

通过以上说明可以发现，T1是否工作在倒置放大无需额外说明，哪种接法能提供更快的开关速度才是关键。

4. 电平门限计算

TTL电平门限也是没有标准的，因厂家而异，但也需要满足一定的范围，以图1电路为例，计算如下。

输出高电平：

如果输入电平由高逐渐降低时，降到0.7V，T4会先关闭，T2仍然导通，此时假设R4的电压为临界值0.7V，则，T3的基极电压为：

因此，有：

输出低电平视饱和程度，取最大不超过0.4V。

输入低电平：

输入为低时，输出应为高，前面已经分析，要使输出为高，临界条件为T4刚关闭时，此时输入不应超过1.4V。假如以不以T2导通为标准，则输入低电平最大不应超过0.7V。

输入高电平：

按前述分析，输入高电平最低不应低于1.4V。