TTL或非门、集电极开路门和三态门电路

TTL或非门、集电极开路门和三态门电路

1.TTL或非门

　　下图为TTL或非门的逻辑电路及其代表符号。

　　由图可见 ，或非逻辑功能是对TTL与非门的结构改进而来，即用两个 三极管T_2A和T_2B代替T₂。
　　若两输入端为低电平，则T_2A和T_2B均将截止 ，i_B3＝0，输出为高电平。
　　若A、B两输入端中有一个为高电平 ，则T_2A或T_2B将饱和 ，导致i_B3＞0，i_B3便使T₃饱和 ，输出为低电平。这就实现了或非功能。即。

2.集电极开路门

　　在工程实践中将两个门的输出端并联以实现与逻辑的功能称为线与。
　　考察下图所示的情况。当将图中所示的两个逻辑门的输出连接在一起，并且当第一个门的输出为高电平（第一个门的T₄导通），第二个门的输出为低电平（第二个门的T₃导通）时，正如图中红线所示将出现一个大电流通道，很可能导致晶体管的损坏。

　　为了避免线与时的产生大电流，可以采用集电极开路门（简称OC门）来解决 。所谓集电极开路是指从TTL与非门电路的推挽式输出级中删去电压跟随器，如下图所示：

　　对于一个两输入端的OC门，其在电路中的符号可用下图来表示：

　　为了实现线与的逻辑功能，可将多个门电路输出管T₃的集电极至电源V_CC之间，加一公共的上拉电阻R_P，如下图所示。为了简明起见，图中以两个OC门并联为例，其中图标“”表示集电极开路之意。

　　　

　　上拉电阻R_p的值可以这样来计算，主要考虑OC门必须驱动一定的拉电流或灌电流负载。有关这两类负载的概念前已讨论，这里仍然适用 ，所不同的是驱动门是由多个TTL门的输出端直接并联而成。当OC门中的一个TTL门的输出为低电平 ，其他为高电平时，灌电流将由一个输出BJT（如T₁或T₂）承担 ，这是一种极限情况，此时上拉电阻R_P具有限制电流的作用。为保证I_OL不超过额定值I_OL(max)，必须合理选用R_P的值。例如V_CC＝5V，R_P＝1kΩ，则I_OL＝5mA。
　　另一方面，由于门电路的输出、输入电容和接线电容的存在，R_P的大小必将影响OC门的开关速度。R_P的值愈大，负载电容的充电时间常数亦愈大，因而开关速度愈慢。R_P的最小值R_P(min)可按下式来确定
：

R_P的最大值R_P(max)可按下式来确定：

　　实际上，R_P的值选在R_P(min)和R_P(max)之间，并且选用靠近R_P(min)的标准值。

　　例：设TTL与非门74LS01(OC)驱动8个74LS04（反相器），试确定一合适大小的上拉电阻R_P，设V_CC=5V。

　　由以上计算可知R_p的值可在985Ω至18.75kΩ之间选择 。为使电路有较快的开关速度，可选用一标准值为１kΩ的电阻器为宜。
　　集电极开路门除了可以实现多门的线与逻辑关系外，还可用于直接驱动较大电流的负载。

3.三态与非门（TSL）

　　利用OC门虽然可以实现线与的功能，但外接电阻R_p的选择要受到一定的限制而不能取得太小，因此影响了工作速度。同时它省去了有源负载，使得带负载能力下降。为保持推拉式输出级的优点，还能作线与联接，人们又开发了一种三态与非门，它的输出除了具有一般与非门的两种状态，即输出电阻较小的高、低电平状态外，还具有高输出电阻的第三状态，称为高阻态，又称为禁止态。

　　一个简单的TSL门的电路如上图所示。其中CS为片选信号输入端，A、B为数据输入端。
　　当CS=1时，TSL门电路中的T₅处于倒置放大状态 ，T₆饱和，T₇截止，即其集电极相当于开路。此时输出状态将完全取决于数据输入端A、B的状态，电路输出与输入的逻辑关系与一般与非门相同。这种状态称为TSL的工作状态。
　　当CS=0时T₇导通，使T₄的基极钳制于低电平。同时由于低电平的信号送到T₁的输入端，迫使T₂和T₃截止 。这样T₃和T₄均截止，门的输出端L出现开路，既不是低电平，又不是高电平 ，这就是第三工作状态。这样，当CS为高电平时，TSL门的输出信号送到总线 ，而当CS为低电平时，门的输出与数据总线断开，此时数据总线的状态由其他门电路的输出所决定。

七、改进型TTL门电路——抗饱和TTL电路

　　抗饱和TTL电路是目前传输速度较高的一类TTL电路。这种电路由于采用肖特基势垒二极管SBD钳位方法来达到抗饱和的效果 ，一般称为SBDTTL电路（简称STTL电路），其传输速度远比基本TTL电路为高。

肖特基势垒二极管的工作特点如下：
　　（1）它和PN结一样，同样具有单向导电性，这种铝-硅势垒二极管导通电流的方向是从铝到硅。
　　（2）AL－SiSBD的导通阈值电压较低，约为0.4～0.5V ，比普通硅PN结约低0.2V。
　　（3）势垒二极管的导电机构是多数载流子 ，因而电荷存储效应很小。
　　根据前面的学习，我们已经知道，BJT工作在饱和时 ，发射结和集电结都处在正向偏置，集电结正向偏置电压越大，则表明饱和程度越深。
　　为了限制BJT的饱和深度，在BJT的基极和集电极并联上一个导通阈值电压较低的肖特基二极管，如下图所示。

　　当没有SBD时，随着基级电压的升高，电流沿着蓝线方向流动。由于SBD的作用，当基级电压大于0.4V时， SBD首先电导通，电流沿着红线方向流动（如下图所示），从而使T的基极电流不会过大（而且使T的集电结正向偏压将被钳制在0.4V左右），因此SBD起到抵抗过饱和的作用，因而又将这种电路称为抗饱和电路，使电路的开关时间大为缩短。

　　下图为肖特基TTL（STTL）与非门的典型电路。与基本TTL与非门电路相比，作了若干改进。在基本的TTL电路中 ，T₁、T₂和T₃工作在深度饱和区，管内电荷存储效应对电路的开关速度影响很大。现在除T₄外，其余的BJT均采用SBD钳位，以达到明显的抗饱和效果。其次，基本电路中的所有电阻值这里几乎都减半。这两项改进导致门电路的开关时间大为缩短。由于电阻值的减小也必然会引起门电路功耗的增加。

　　

STTL门电路还有以下三点对基本TTL电路的性能作了改进：
　　（1）二极管D被由T₄和T₅所组成的复合管所代替，当输出由低电平向高电平过渡时，由于复合管电路的电流增益很大，输出电阻很小
，从而减小了电路对负载电容的充电时间。
　　（2）电路输入端所加的SBD—D_A和D_B，用来减小由门电路之间的连线而引起的杂散信号。
　　（3）基本电路中的R_e2（1kΩ）改为由T₆与R_c6 、R_b6的组合电路所代替。这个组合电路是有源非线性电阻。当其两端的电压（发射极e2对地）较低时，呈现很大的电阻，而当其两端的电压达到0.7V左右时，则呈现很小的电阻。这样，当与非门的全部输入端由低电平转向高电平时，有源电阻开始不导通使T₃很快达到饱和；反之，当电路的全部输入端（或其中之一）由高电平转向低电平时，T₂和T₃将截止，由于T₃饱和时，V_BE=0.7V，在转换开始的瞬间，有源电阻的阻值很小
T₃基区存储的电荷通过此低阻回路很快消散。由于这个缘故，有源非线性电路称为有源下拉电路 ，它与有源上拉电路是对应的 。意即将 V_BE3从0.7 V很快拉到０V，从而使输出电压很快升高，即提高了开关速度。

　　基于上述特点,STTL与非门具有较为理想的传输特性。与基本TTL反相器的传输特性相比，Ｃ点不再存在了，由Ｂ点直接下降到Ｄ点，即传输特性变化非常陡峭，见下图。

　　除典型的肖特基型（STTL）外，尚有低功耗肖特基型（LSTTL）、先进的肖特基型（ASTTL），先进的低功耗型（ALSTTL）等，它们的技术参数各有特点，是在TTL工艺的发展过程中逐步形成的。

TTL门电路的各种系列的性能比较

类型 基本的TTL(74系列) 肖特基TTL(74S系列) 低功耗肖特基TTL(74S系列) 先进的肖特基TTL(74AS系列) 先进的低功耗肖特基TTL(74ALS系列) 参数 tpd/ns 10 3 9 1.5 4 PD/mW 10 20 2 20 1 DP/pJ 100 60 18 30 4