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2．4 TTL逻辑门电路
在数字系统中应用大量的逻辑门电路。采用分立元件焊接成门电路，不仅体积大，而且焊点多，易出故障，使得电路可靠性下降。集成门电路是通过特殊工艺方法将所有电路元件制造在一个很小的硅片上，其优点是体积小、重量轻、功耗小、成本低、使用起来焊点少、可靠性提高。DTL（Diode Transistor Logic二极管三极管逻辑）门电路是集成电路的早期产品，具有线路简单、成品率高等优点，缺点是速度较慢。于是发展起来一种新的电路形式一TTL（Transistor Transistor Logic三极管三极管逻辑）门电路。CT74/54TTL系列也称TTL标准系列，第一个字母C代表中国；T代表TTL；74代表标准TTL民用系列；54代表标准TTL军用系列。 2.4.1 TTL与非门的电路结构
以CT7400型集成电路为例，它包括四个相同的2输入与非门，其中一个，如图18-2-1所示。 输入级包括多发射极晶体管VT1及电阻R1，形成与门电路。多发射极晶体管一般是靠近基极制造多个发射结。将发射结、集电结都视为二极管，读者不难将多发射极晶体管改画成图18-2-2。显然这是一个与门电路。
4k?VT1R1R21.6k?R4130?VT3VCC?5VAB1k?VT2VD4VT54k?UOVT1R1VCCR3B
图2-4-1 CT7400型与非门 图2-4-2 多发射极管等效一个与门
中间级包括VT2管及电阻R2、R3。主要作用是将VT2的基极电流放大，以增强对输出级的驱动能力。其电路结构是共射组态的基本放大电路。
输出级由VT5、VT3、VD4、R4等元器件组成，VT3、VD4、R4是VT5的集电极负载。由下述分析可知，图2-4-1与非门电路的输出级只有两种稳定工作状态：VT5导通，VT3、VD4截止，输出为低电平；VT5截止，VT3、VD4导通，输出为高电平。这种输出级的电路结构形式也称作推拉式输出级。 2.4.2 电路的逻辑功能
CT7400是一个与非门，由上节可知当它的全部输入端是高电平时，输出为低电平，这一状态也称为开态；
输入端有低电平输入时，输出为高电平，这一状态也称为关态。下面将分别讨论这两个状态。 2.4.2.1 开态
开态对应所有输入端为高电平，输出为低电平的状态。
因为所有的输入端为高电平，即A=B=1，VT1管的两个发射极都是高电平，电流不能流向输入端。于是VCC通过R1、VT1的集电结向VT2提供基流IB2。只要电路参数设计正确，VT2可饱和，VT2将IB2放大后又可驱动VT5饱和。此时若VT3、VD4截止，则可确定输出为低电平，即UOL=UCES5≈0.3V。此时VT3、VD4截止，可证明如下。由于VT5饱和，所以UB5= UE2=0.7V；又因为VT2饱和，所以VT2的饱和压降UCES2=0.3V，故UC2=UE2+UCES2=0.7+0.3=1V。1V不能使VT3的发射结和二极管VD4这两个串联的PN结导通，所以VT3、VD4截止，可确定UC5=UO=UCES5≤0.3V。
由于VT3、D4截止，所以VCC不会经R4向VT5灌入电流，VT5的集电极电流只可能由外电路提供，并流入VT5，这个电流称为输出低电平电流IOL，也称灌电流。
开态情况下，VT1管的发射极处于高电平3V左右，基极2.1V，发射结反偏；IB1流向集电极，去掉集电结的压降0.7V，UC1=UB2=1.4V。电路各有关点的电位可按如下顺序确定：
ABAR1b1c1
2.4.2.2 关态
关态对应输入端最少有一个为低电平，输出为高电平的状态。
因为输入端有低电平（0.3V），VCC经R1有电流IIL向输入端流去，所以UB1=0.3+0.7=1V,该电位不足以使VT2及VT5导通，因此VT2及VT5截止。VT2截止，VCC经R2有电流向VT3的基极流去，使VT3饱和，于是可以列出如下方程式
VCC?IB3R2?UBE3?UD4?UO
UO?VCC?UBE3?UD4?5?0.7?0.7?3.6V 由此可确定输出为高电平。上式中IB3?0，所以IB3R2?0。 关态时各有关点的电位可按下列顺序确定：
UA?0IB1?IILVT2截止?VT5截止?????UB?0UB1?1V??IR2?IB3?VT3、VD4饱和 ?UOH
通过对开态和关态的分析，可以确定CT7400型TTL逻辑门具有输入全“1”，输出为“0”；输入有“0”，输出为“1”的与非逻辑关系，因而它是与非门。并且它的输出级只有开态和关态两种稳定工作状态。动画18-1
2.4.3 特性曲线
逻辑门的特性曲线是指逻辑门输入端、输出端的电压、电流之间的函数关系，这种关系是非线性的，所以用特性曲线来描述。TTL逻辑门的特性曲线有三条，即
u0=f（uI），表示输出电压随输入电压变化而变化的规律，称为电压传输特性曲线。 u0=f（i0），表示输出电压随输出电流变化而变化的规律，它又分为输出低电平负载输特性曲线uOL=f（iOL）和输出高电平负载输特性曲线uOH=f（iOH）两条。
uI=f（iI），表示输入电压随输入电流变化而变化的规律，称为输入特性曲线。 2.4.3.1 uOL= f（iOL）----输出低电平负载特性曲线 输出低电平负载特性曲线也称灌电流负载性曲线。
在实际电路中灌电流是由后面所接的逻辑门输入低电平电流汇集在一起而灌入前面逻辑门的输出端所形成，读者参阅图2-4-3自明。显然它的测试电路应该如图2-4-4(b)所示，输入端所加的逻辑电平是保证输出端能够获得低电平，只不过灌电流是通过接向电源的一只电位器而获得的，调节的电位器可改变灌电流的大小，输出低电平的电压值也将随之变化。
R2R4VT3VD4VT5VCC?5VIILR1VCC?5VR1VT1R2R4VT3VCC?5VVCC?5VR1VT12IIHUO?UOLIOLVCC?5VVT1VD4VT5UO?UOHR1VCC?5VVT1IILIIH
(a) 灌电流负载 (b) 拉电流负载
图2-4-3 灌电流与放电流示意图
uOL/V\UOLMAXVCC?5VIOLR0.40.30.20.10-mA+UOLIOL51015IOLMAXiOL/mA
(a) 灌电流负载特性曲线 (b) 测试电路
图2-4-4 灌电流负载特性曲线及测试电路
当输出低电平的电压值随着灌电流的增加而增加到输出低电平最大值时，即uOL=UOLMAX时所对应的灌电流值定义为输出低电平电流的量大值IOLMAX。不同系列的逻辑电路，同一系列中不同的型号的集成电路，国家标准中对输出低电平电流的最大值IOLMAX的规范值的规定往往是不同的。比较常用的数值如下 TTL系列 IOLMAX=16mA LSTTL74系列 IOLMAX=8mA LSTTL54系列 IOLMAX=4mA
扇出系数NO是描述集成电路带负载能力的参数，它的定义式如下
INO?OLMAXIILMAX (2-4-1)
在决定扇出系数时，正确计算电流值是重要的，对于图2-4-3而言，后面所接的逻辑门的输入端有并联的情况。当输出为低电平时，后面逻辑门输入端流出的IIL，因有R1的限流作用，与并联端头数无关。但是，当输出为高电平时，电流的方向改变为流进输入端，后面逻辑门输入级的多发射极三极管相当有两个三极管并联。流入的IIH就要加倍，与并联端头数有关。对于图2-4-3，NOL=2，而NOH=3，输出低电平和输出高电平两种情况下，扇出系数可能是不同的。由于IIL的数值比IIH的数值要大很多，对于集成电路来说矛盾的主要方面在低电平扇出系数。所以，一般我们只需要考虑低电平扇出系数就可以了。 2.4.3.2 uOH= f（IOH）---输出高电平负载特性曲线 输出高电平负载特性曲线也称拉电流负载性曲线。
在实际电路中拉电流是由前面的逻辑门流出的高电平负载电流，流向后面所接的逻辑门的输入端。此时由于后面所接逻辑门的输入三极管的发射结是反向偏置，IIH很小，所以拉电流也比较小。显然它的测试电路应该如图2-4-5所示。
uOH/VVCC?5VIOH43210UOHMIN+mA-UOHRIoHmax10203040iOH/mA
(a) 拉电流负载特性曲线 (b) 测试电路
图2-4-5 拉电流负载特性曲线及测试电路
输入端所加的低电平，是为了获得输出高电平，只不过拉电流是通过接向地线的一只电位器而获得电流通路的，调节电位器可改变拉电流的数值。输出高电平负载特性曲线的实测结果如图2-4-5(a)所示，其基本规律是随着拉电流的增加，输出高电平下降，当uOH=UOHMIN时所对应的拉电流值定义为输出高电平电流的最大值IOHMAX。不同系列的逻辑电路，同一系列中不同的型号的集成电路，国家标准中对输出高电平电流的最大值IOHMAX的规范值的规定是不同的。比较常用的数值如下
标准TTL系列 IOHMAX=-400μA 低功耗肖特基LSTTL系列 IOHMAX=-400μA
-400μA前面的负号表示电流的方向是从集成电路流出的，正号表示电流是流进集成电路中的。 2.4.3.3 uo= f（uo）---电压传输特性曲线
电压传输特性曲线就是研究在逻辑门的输入电压变化时，逻辑门的输出电压是如何变化的。
正常使用时，逻辑门的输入是双值逻辑信号，在研究电压传输特性时，为了全方位的了解输入和输出的关系，加入的输入信号是从零伏连续变化到电源电压之值。电压传输特性曲线的实验电路如图2-4-6所示，特性曲线示于图2-4-7之中。
uO/V4ABCVCC?5VNO?10VCC?5VCB\AUI3UOHMIN?22.4V+1UOUOLMAX00.8DUIHMIN2E
图2-4-6 实验电路 图2-4-7 电压传输特性曲线
电压传输特性曲线可以分为四个段落来说明。
AB段——AB段基本上与X轴平行，相当输入低电平，输出高电平，与关态相当。 BC段——称为线性区。
CD段——称为过渡区。输入的微小变化会引起输出的强烈变化，CD段变化很陡。
DE段——DE段基本上与X轴平行，相当输入高电平，输出低电平，与开态相当。由电压传输特性，不仅可以知道与非门输出高电平UOH和低电平UOL的值，而且还可以求出阈值电压、关门电平、开门电平和输入噪声容限等重要参数。 2.4.4 参数与技术指标
逻辑门的参数分为静态参数和动态参数，或分别称之为直流参数和交流参数。静态参数有电压参数、电流参数、电源参数，动态参数主要指时间参数，主要有： 1．关门电平和开门电平
定义输出电压下降到UOH下限值时，对应的输入电压称做关门电平（Uoff）。显然只有当uI＜UT时，uo才是高电平UOH。当uI＞Uoff时，uo迅速下降到UOL。当uO刚刚降到UOL时，对应的输入电压定义为开门电
UILMAXUUonoffuI/V