深入讲解TTL门电路

什么是TTL门电路？

TTL是一种集成电路，通过使用双极性晶体管组合来做到具有驱动能力的逻辑输出。TTL最重要的特性是门的输入在未连接时将为逻辑高电平。

 

在硬件电路中，会用到逻辑门这样的数字器件，对于这样的数字器件，从内部工艺结构来分的话主要有两个大的分支：一个是晶体管构成的，另一个是场效应管构成的。而晶体管构成的门电路，被称为TTL门电路。

 

TTL电路工作原理

TTL门电路也分很多种，比如说非门、与非门、或非门、与或非门以及OC输出的与非门。虽然种类多，但是基本的工作原理都是类似的。以常用的与非门电路为例对其工作原理进行介绍。

图1 非门的TTL电路

 

从图1中可以看出非门电路是由Q1输入级、Q2中间级以及Q3、Q4输出级组成。

①输入级：Q1从结构上把它看成由二极管构成的，两个二极管的P结背靠背，N结分别连接输入和Q2的基极。

②中间级：由三极管Q2和电阻R2、R4组成。在电路的开通过程中利用Q2的放大作用，为输出管Q3和Q4提供较大的基极电流，加速了输出管的导通。所以，中间级的作用是提高输出管的开通速度，改善电路的性能。

③输出级：由三极管Q3、Q4、二极管D1和电阻R3组成。从图中可以看出，输出级由三极管Q4实现逻辑非的运算。但在输出级电路中用三极管Q3、二极管D1和R3组成的有源负载来使输出级具有较强的负载能力。其中D1可以起到三极管be反向击穿的保护作用。

 

工作原理

①当输入端Input为逻辑低电平时，电流流经R1至Input，Q1晶体管导通，此时Vb(Q2)的电压小于Vbe导通电压0.7V，Q2晶体管截止。此时由于R2与R4的存在，使Q3导通、Q4截止，在Out上输出高电平。由图1中输出结构可知，此时输出高电平电压将为：Vout = Vcc - Vce - VD1 ≈ Vcc - 1V

 

②当输入端Input为逻辑高电平时，Q1晶体管截止，此时电流流经R1和Q1的PN结，流向Q2的基极，Q2晶体管导通。此时Q4导通，Q3的基极电压约为1V，而Q3的导通电压需要Vb3约为1.7V，Q3将不导通，则在Out上输出低电平。由图1中输出结构可知，此时输出低电平电压将为：0.4V。

 

TTL电路应用

①多路与输入

TTL的多路与输入可以由图1简化而来，由于作为逻辑输入通常不需要很大的功率，可以去掉功率部分，只保留逻辑部分，如图二所示。

图2 2路TTL输入

 

②TTL图腾柱输出

在下图所示的电路中，阴影部分表示图腾柱输出。三极管Q3、Q4、二极管D1和限流电阻R3构成TTL的图腾柱输出结构，可以为外部设备提供较强的供电能力。

图3 图腾柱输出电路

 

③TTL集电极开漏输出

TTL逻辑的开漏输出电路如下图所示。在此配置中，取消了晶体管Q 3、D1和上拉电阻。取而代之的是外部上拉电阻R3以确保正常运行，如图所示。

图4 开漏型TTL输出

 

④TTL三态门输出

三态门输出电路结构如下图所示，其输出具有三种输出状态：高、低和高阻。

当OE使能为低电平时，Q3、Q4都处于关闭状态，此时的输出端呈现高阻态，输出状态浮空。当OE使能为高电平时，输出的状态由输入决定。

图5 三态门输出电路