愛華網(wǎng)
在數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用大量的邏輯門電路，采用分立元件焊接成門電路，不僅體積大，而且焊點(diǎn)多，易出故障，使得電路可靠性下降。集成門電路是通過特殊工藝方法將所有電路元件制造在一個(gè)很小的硅片上，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、功耗小、成本低、使用起來焊點(diǎn)少、可靠性提高。DTL（ Diode Transistor Logic二極管三極管邏輯）門電路是集成電路的早期產(chǎn)品，具有線路簡(jiǎn)單、成品率高等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是速度較慢。于是發(fā)展起來一種新的電路形式一TTL （ Transistor Transistor Logic 三極管三極管邏輯）門電路。CT74/54TTL 系列也稱 TTL 標(biāo)準(zhǔn)系列，第一個(gè)字母 C 代表中國(guó)； T 代表TTL ； 74 代表標(biāo)準(zhǔn) TTL 民用系列； 54 代表標(biāo)準(zhǔn) TTL 軍用系列。
2.3.1 TTL與非門電路電路結(jié)構(gòu)
以 CT7400 型集成電路為例，它包括四個(gè)相同的 2輸入與非門，其中一個(gè)，如圖 2.9 所示。
中間級(jí)包括 VT 2管及電阻 R 2 、R 3 。主要作用是將 VT 2的基極電流放大，以增強(qiáng)對(duì)輸出級(jí)的驅(qū)動(dòng)能力。其電路結(jié)構(gòu)是共射組態(tài)的基本放大電路。
輸出級(jí)由 VT 5 、 VT3 、 D 4 、R 4 等元器件組成。由下述分析可知，圖7.14 與非門電路的輸出級(jí)只有兩種穩(wěn)定工作狀態(tài)： VT 5 導(dǎo)通， VT 3 、 D4 截止，輸出為低電平； VT 5 截止， VT3、D4導(dǎo)通，輸出為高電平。這種輸出級(jí)的電路結(jié)構(gòu)形式也稱作圖騰柱輸出級(jí)（Totem post ）。
2.3.2 電路的邏輯功能
CT7400是一個(gè)與非門，由上節(jié)可知當(dāng)它的全部輸入端是高電平時(shí)，輸出為低電平，這一狀態(tài)也稱為開態(tài)；輸入端有低電平輸入時(shí)，輸出為高電平，這一狀態(tài)也稱為關(guān)態(tài)。下面將分別討論這兩個(gè)狀態(tài)。
2.3.2 .1 開態(tài)
開態(tài)對(duì)應(yīng)所有輸入端為高電平，輸出為低電平的狀態(tài)。因?yàn)樗械妮斎攵藶楦唠娖?，?em>A =B =1 ，VT1管的兩個(gè)發(fā)射結(jié)都反偏，于是 V CC 通過 R 1 、 VT1 的集電結(jié)向 VT 2 提供基流 I B2 。只要電路參數(shù)設(shè)計(jì)正確， VT2 可飽和， VT2 將I B2 放大后又可驅(qū)動(dòng) VT5 飽和，輸出低電平 UOL = U CES5 ≈ 0.3V 。此時(shí)
如果忽略 VT3的基流，則可認(rèn)為 I R2 = I C2，而
I E2 = I B2 +I C2 =0.725+2.5=3.225mA
驅(qū)動(dòng) VT 5飽和的基流則可認(rèn)為
可見，由于 VT 2管的電流放大作用， VT 5管得到的驅(qū)動(dòng)電流 I B5 要比I B2 大。 VT 5 管在 I B5的作用下將飽和，所以可認(rèn)為 U C5 = U O =U CES5 ≤ 0.3V 。
與此同時(shí)，因?yàn)?U C2 = U E2 +U CES2 ≈ 0.7+0.3=1V ，而U O ≤ 0.3V 。所以 VT3 和輸出端之間的電位差： UC2 - U O ≈ 0.7V 。這一電位差值不可能同時(shí)打開兩個(gè)串聯(lián)的 PN結(jié)，即 VT 3 的發(fā)射結(jié)和 VD 4 ，故 VT 3 和 VD4 截止。所以 V CC 不會(huì)經(jīng) R 4 向 VT5 灌入電流， VT 5 的集電極電流只可能由外電路提供，并流入 VT5 ，這個(gè)電流稱為 輸出低電平電流I OL ，也稱 灌電流 。
開態(tài)情況下， VT 1 管的發(fā)射極處于高電平 3V 左右，基極 2.1V，發(fā)射結(jié)反偏； I B1流向集電極，去掉集電結(jié)的壓降 0.7V ，U C1 = U B2 =1.4V。電路各有關(guān)點(diǎn)的電位可按如下順序確定：
2.3.2 .2 關(guān)態(tài)
關(guān)態(tài)對(duì)應(yīng)輸入端最少有一個(gè)為低電平，輸出為高電平的狀態(tài)。因?yàn)檩斎攵擞械碗娖剑?.3V），VCC經(jīng)R1有電流 I IL 向輸入端流去，所以U B1 =0.3+0.7=1V,該電位不足以使VT 2 及VT 5 導(dǎo)通，因此 VT 2 及 VT5 截止。 VT 2 截止， V CC經(jīng) R 2 有電流向 VT 3 的基極流去，使 VT 3飽和，于是可以列出如下方程式
由此可確定輸出為高電平。上式中 ，所以 。 V CC 經(jīng) R4 向 VT 3集電極和二極管VT 4提供電流，并流向外電路，這個(gè)電流稱為 輸出高電平電流 IOH ，也稱拉 電流 。
關(guān)態(tài)時(shí)各有關(guān)點(diǎn)的電位可按下列順序確定：
通過對(duì)開態(tài)和關(guān)態(tài)的分析，可以確定 CT7400 型 TTL邏輯門具有輸入全“ 1 ” ，輸出為“ 0 ” ；輸入有“ 0 ” ，輸出為“1 ”的與非邏輯關(guān)系，因而它是與非門。并且它的輸出級(jí)只有開態(tài)和關(guān)態(tài)兩種穩(wěn)定工作狀態(tài)。
2.3.3 特性曲線
邏輯門的特性曲線是指邏輯門輸入端、輸出端的電壓、電流之間的函數(shù)關(guān)系，這種關(guān)系是非線性的，所以用特性曲線來描述。TTL 邏輯門的特性曲線有三條，即
u 0 =f （ i 0），表示輸出電壓隨輸出電流變化而變化的規(guī)律，它又分為輸出低電平負(fù)載輸出特性曲線u OL = f （i OL ）和輸出高電平負(fù)載輸出特性曲線 u OH = f （ i OH ）兩條。
u 0 =f （ u I），表示輸出電壓隨輸入電壓變化而變化的規(guī)律，稱為電壓傳輸特性曲線。
u I =f （ i I），表示輸入電壓隨輸入電流變化而變化的規(guī)律，稱為 輸入特性曲線。
此外還有一條輸入端電阻負(fù)載特性曲線，它反映邏輯門輸入端對(duì)地之間接有電阻時(shí)對(duì)邏輯門輸出邏輯電平的影響。
2.3.3.1 u OL = f （i OL ）---- 輸出低電平負(fù)載特性曲線
輸出低電平負(fù)載特性曲線也稱灌電流負(fù)載性曲線。在實(shí)際電路中灌電流是由后面所接的邏輯門輸入低電平電流匯集在一起而灌入前面邏輯門的輸出端所形成，讀者參閱圖2.11 自明。顯然它的測(cè)試電路應(yīng)該如圖 2.12所示，輸入端所加的邏輯電平是保證輸出端能夠獲得低電平，只不過灌電流是通過接向電源的一只電位器而獲得的，調(diào)節(jié)的電位器可改變灌電流的大小，輸出低電平的電壓值也將隨之變化。
當(dāng)輸出低電平的電壓值隨著灌電流的增加而增加到輸出低電平最大值時(shí)，即u OL = U OLMAX時(shí)所對(duì)應(yīng)的灌電流值定義為輸出低電平電流的量大值 I OLMAX。不同系列的邏輯電路，同一系列中不同的型號(hào)的集成電路，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)輸出低電平電流的最大值I OLMAX 的規(guī)范值的規(guī)定往往是不同的。比較常用的數(shù)值如下
TTL 系列 I OLMAX =16mA
LSTTL74 系列 I OLMAX =8mA
LSTTL54 系列 I OLMAX =4mA
扇出系數(shù) N O是描述集成電路帶負(fù)載能力的參數(shù)，它的定義式 (2. 3 ) 。
在決定扇出系數(shù)時(shí)，正確計(jì)算電流值是重要的，對(duì)于圖 2.11而言，后面所接的邏輯門的輸入端有并聯(lián)的情況。當(dāng)輸出為低電平時(shí)，后面邏輯門輸入端流出的I IL ，因有 R 1的限流作用，與并聯(lián)端頭數(shù)無關(guān)。但是，當(dāng)輸出為高電平時(shí)，電流的方向改變?yōu)榱鬟M(jìn)輸入端，后面邏輯門輸入級(jí)的多發(fā)射極三極管相當(dāng)有兩個(gè)三極管并聯(lián)。流入的I IH就要加倍，其值與并聯(lián)端頭數(shù)有關(guān)。這樣，輸出低電平和輸出高電平兩種情況下，扇出系數(shù)可能是不同的。由于I IL 的數(shù)值比 IIH的數(shù)值要大很多，對(duì)于集成電路來說矛盾的主要方面在低電平扇出系數(shù)。所以，一般我們只需要考慮低電平扇出系數(shù)就可以了。
2.3.3 .2 uOH = f（ I OH） ---輸出高電平負(fù)載特性曲線
在實(shí)際電路中拉電流是由前面的邏輯門流出的高電平負(fù)載電流，流向后面所接的邏輯門的輸入端。此時(shí)由于后面所接邏輯門的輸入三極管的發(fā)射結(jié)是反向偏置，I IH 很小，所以拉電流也比較小。顯然它的測(cè)試電路應(yīng)該如圖 2.13(b)所示。
輸入端所加的低電平，是為了獲得輸出高電平，只不過拉電流是通過接向地線的一只電位器而獲得電流通路，調(diào)節(jié)的電位器可改變拉電流的數(shù)值。輸出高電平負(fù)載特性曲線的實(shí)測(cè)結(jié)果如圖2.13 （ a ）所示，其基本規(guī)律是隨著拉電流的增加，輸出高電平下降，當(dāng)u OH = U OHMIN時(shí)所對(duì)應(yīng)的拉電流值定義為輸出高電平電流的量大值 IOHMAX。不同系列的邏輯電路，同一系列中不同的型號(hào)的集成電路，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)輸出電平電流的最大值I OHMAX的規(guī)范值的規(guī)定往往是不同的。比較常用的數(shù)值如下
標(biāo)準(zhǔn) TTL 系列 I OHMAX = - 400 μ A
低功耗肖特基 LSTTL 系列 I OHMAX = - 400 μ A
- 400 μ A前面的負(fù)號(hào)表示電流的方向是從集成電路流出的，正號(hào)表示電流是流進(jìn)集成電路中的。
2.3.3.3 u o = f（ u o ） ---電壓傳輸特性曲線
電壓傳輸特性曲線就是研究在邏輯門的輸入電壓變化時(shí)，邏輯門的輸出電壓是如何變化的。正常使用時(shí)，邏輯門的輸入是雙值邏輯信號(hào)，在研究電壓傳輸特性時(shí)，為了全方位的了解輸入和輸出的關(guān)系，所加的輸入信號(hào)是從零伏連續(xù)變化到電源電壓之值。電壓傳輸特性曲線的實(shí)驗(yàn)電路如圖2.14 所示，電壓傳輸特性曲線示于圖 2.15 之中。
電壓傳輸特性曲線可以分為四個(gè)段落來說明。
AB 段 ——AB 段基本上與 X軸平行，相當(dāng)輸入低電平，輸出高電平，與關(guān)態(tài)相當(dāng)。
BC 段 ——稱為線性區(qū)。由于輸入的提高，輸入低電平電流有一部分開始流入 VT2 的基極，使 VT 2 進(jìn)入放大狀態(tài)，但I E2 在 R 3 上的壓降還不足以使VT 5 導(dǎo)通。此時(shí) VT 3 和 VD 4原來就是導(dǎo)通的，所以輸出將跟隨 VT 2集電極，即 VT 3 的基極電位而變化。
CD 段 —— 稱為過渡區(qū)。 VT 2 的導(dǎo)通較強(qiáng)時(shí)， VT 5也將開始導(dǎo)通，整個(gè)門電路的三極管均處于放大狀態(tài)，輸入的微小變化會(huì)引起輸出的強(qiáng)烈變化，CD 段變化很陡。
DE 段 ——DE 段基本上與 X軸平行，相當(dāng)輸入高電平，輸出低電平，與開態(tài)相當(dāng)。由電壓傳輸特性，不僅可以知道與非門輸出高電平U OH 和低電平 UOL的值，而且還可以求出閾值電壓、關(guān)門電平、開門電平和輸入噪聲容限等重要參數(shù)。
閾值電壓 U T。電壓傳輸特性的過渡區(qū)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓，既是決定 VT 5管截止和導(dǎo)通的分界線，又是決定輸出高、低電平的分界線。因此，經(jīng)常形象化地把這個(gè)電壓叫做閥值電壓或門檻電壓，并用U T表不。然而，過渡區(qū)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓，實(shí)際上有一定的范圍，所以嚴(yán)格地講，應(yīng)當(dāng)把閾值電壓定義為過渡區(qū)中u I = u 0 那一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值。
U T是一個(gè)很重要的參數(shù)，在近似分析估算中，常把它作為決定與非門工作狀態(tài)的關(guān)鍵值。當(dāng)u I＞U T 時(shí)，就認(rèn)為與非門開啟，輸出為低電平 UOL ；當(dāng) U I ＜ U T時(shí)，就認(rèn)為與非門截止，輸出為高電平 U OH 。
關(guān)門電平和開門電平。 定義輸出電壓下降到U OH下限值時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入電壓稱做關(guān)門電平（ U off ）。顯然只有當(dāng) u I ＜ U T 時(shí)，u o 才是高電平 U OH。當(dāng) u I ＞ Uoff 時(shí)， u o 迅速下降到U OL 。當(dāng) uO 剛剛降到 U OL 時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入電壓定義為開門電平（ U on）， U on 相當(dāng)電壓傳輸特性曲線中 D 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入電壓值。當(dāng)u I ＞ U on 時(shí)，u O 為低電平 UOL 。
由于電壓傳輸特性曲線中對(duì)應(yīng) U off 和U on 處是很陡的，所以 U off 與 U on不便于測(cè)量，此外電源、溫度的變化，也會(huì)影響 U off 和U on，加上制造上不可避免的分散性，在工廠中不便通過這兩個(gè)參數(shù)的測(cè)試來確定每個(gè)邏輯門是否合乎標(biāo)準(zhǔn)。因此，技術(shù)規(guī)范確定，U off 和 U on各讓出一定的電壓值，確定了輸入低電平最大值 U ILMAX 和輸入高電平最小值 U IHMIN 以分別代替 U off 和 U on。當(dāng) u I ＜ UILMAX 時(shí)電路處于關(guān)態(tài)；當(dāng) uI ＞ U IHMIN 時(shí)電路處于開態(tài)。要注意 UILMAX 和 U IHMIN 是用于測(cè)試，而 U T 是用于分析，它們的概念相近，但用途不同。
噪聲容限 （ Noise Margin ）。由圖 2.16和以上分析可知，當(dāng)輸入低電平時(shí)，雖有外來正向干擾，但只要不超過U ILMAX，電路的關(guān)態(tài)就不會(huì)受到破壞。輸入低電平時(shí)，允許的干擾電平范圍（U ILMAX - UOL ）稱為 低電平噪聲容限 UNL（或△0）。同樣，當(dāng)輸入高電平時(shí)，加上外來干擾，只要不低于最小輸入高電平，就不會(huì)破壞電路的開態(tài)。輸入高電平時(shí)，允許的干擾電平范圍（UOH - U IHMIN ）稱為 高電平噪聲容限 U NH （或△ 1 ），參閱圖 2.16 。
由圖 2.16 可知， TTL 與非門的低電平噪聲容限為U NL = U ILMAX - U Ol=0.8 - U OL ，約在 0.4V左右；高電平噪聲容限為 U NH =U OH - U IHMIN = U OH -2 ，約在 0.4V 左右。所以在 TTL 電路中，噪聲容限約在 0.4V 左右。
2.3.3.4 TTL邏輯電路輸入端電阻負(fù)載特性曲線
在數(shù)字電路和脈沖電路中，與非門電路有時(shí)是作為反相放大器使用的。同時(shí)，TTL與非門輸入回路的電阻值，對(duì)門的狀態(tài)也有很大的影響。因此在討論實(shí)際的電路之前，很需要了解一下TTL 與非門在這方面的一些性能。
TTL 與非門當(dāng)輸入端開路時(shí)（ R =），相當(dāng)于接高電平，于是 u o = UoL ；當(dāng)輸入端對(duì)地短路時(shí)（ R =0），相當(dāng)于接低電平，于是 u o = U oH 。現(xiàn)在進(jìn)一步討論當(dāng)輸入端經(jīng)過電阻接地時(shí)（見圖2.17 ），輸出端是高電平還是低電平？這要取決于所接電阻 R的阻值，當(dāng)電阻 R 大于一個(gè)被稱為 開門電阻 R on的電阻時(shí)，輸入相當(dāng)高電平，與非門輸出為低電平；當(dāng) R小于一個(gè)被稱為 關(guān)門電阻 R off的電阻時(shí)，輸入相當(dāng)?shù)碗娖?，與非門的輸出為高電平。下面討論與非門的開門電阻R on 和關(guān)門電阻 R off的概念。
1 ．關(guān)門電阻 R off
當(dāng)與非門輸入端接有電阻 R 時(shí)，R=0，該支路中的電流即為 I IS。當(dāng) R 稍有增加時(shí)，R 上的壓降也
稍有增加，但這個(gè)壓降u I 很小，仍能保持輸入低電平的狀態(tài)。隨著 R的增加， u I不斷增加，當(dāng)增加的某一數(shù)值時(shí)， R 上的電位達(dá)到 Uoff 。輸出電壓就要開始從 UOH 下降，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻值稱為關(guān)門電阻R off 。當(dāng) R ＜R off 與非門處于關(guān)態(tài)。
當(dāng) R ＜ R off 時(shí)， I R1經(jīng) VT 1 發(fā)射結(jié)幾乎全部流入 R， VT 2 此時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)。若取 TTL與非門的 U off =1V ，則可算出R off 。
當(dāng) u I =U off 時(shí)， R =R off ，可得
當(dāng) R 1 =2.8kW ， V CC =5V ， UBE1 =0.7V ， U off =1V 代入上式可得關(guān)門電阻 Roff =0.85k W 當(dāng) R ＜R off =0.85 k W，與非門處于關(guān)態(tài)。
2 ．開門電阻
如果把與非門輸入端的電阻 R繼續(xù)加大，輸入電壓 u I隨之增加，當(dāng) u I增加到開門電平 U on時(shí)，與非門轉(zhuǎn)入開態(tài)，輸出低電平。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的電阻值就是開門電阻R on 。當(dāng) R ＞ R on時(shí)，與非門處于開態(tài)。
由圖 2.17(a) 可知，當(dāng) uI = U on 時(shí)， IR1 這個(gè)電流將有一部分被分到 VT2的基極，由于與非門的狀態(tài)剛剛由關(guān)態(tài)轉(zhuǎn)為開態(tài)，分流到 VT 2 基極的電流還不算大。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可忽略 VT2 的基流，仍可列出下式：
當(dāng) u I =U on 時(shí)， R =R on ，推導(dǎo)后可得
將 R 1 =2.8k 、 V CC =5V 、U BE1 =0.7V 、 Uon =1.8V 代入上式可得開門電阻R on =2 k 。當(dāng) R ＞ R on =2 k 時(shí)，與非門處于開態(tài)。實(shí)際上由于有 IB2 的分流，對(duì)于 R =2 k ，其上的壓降要小于 1.8 V，為了保證與非門可靠地開啟（輸出低電平）， R 常取得比 2k 稍大些。一般常選 R on =2.5 k 。
R 從零開始逐漸增大， uI 也不斷增加，這一關(guān)系可用圖 1.17 （ b）的輸入端負(fù)載特性曲線來描繪。要注意對(duì)不同系列的邏輯門，開門電阻和關(guān)門電阻的具體數(shù)值可能差別很大，所以取以上計(jì)算的臨界數(shù)值往往并不可靠。
