1. TTL電路基本原理

要實(shí)現(xiàn)輸出電平在0/1之間變換，需要三極管的數(shù)量最少只需要一個(gè)，而TTL電路使用了4個(gè)三極管，用較多的器件去實(shí)現(xiàn)相同的功能，必定要有性能上的提升，否則這種電路設(shè)計(jì)就是一種浪費(fèi)。對(duì)于TTL電路而言，使用成倍的器件需要換來的性能包括以下幾點(diǎn)：

a. 提高開關(guān)速率

b. 提高帶載能力

c. 提高抗干擾性

圖1

TTL電路如圖1所示，當(dāng)輸入A/B有一個(gè)為低電平時(shí)（假設(shè)為0V），T1管的基極被鉗位到0.7V，不足以使得T2、T4管導(dǎo)通，所以T2的集電極電位為高，T3導(dǎo)通，Vout輸出為高。當(dāng)A/B輸入都是高電平時(shí)（假設(shè)為3.6V），則T1的基極電壓為4.3V，該電壓可以使T2、T4飽和導(dǎo)通，從而T1的基極電位被鉗位在2.1V（三個(gè)PN結(jié)的壓降），T4導(dǎo)通后，T4的基極電位為0.7V，T2此時(shí)為飽和導(dǎo)通，導(dǎo)致T3的基極電位大概為1V左右，這個(gè)電壓不足以使得T3和二極管D同時(shí)導(dǎo)通，故Vout輸出為低電平。

在TTL電路中，使用推挽輸出目的是為了增強(qiáng)帶載能力；二極管D可以砸T4導(dǎo)通時(shí)，防止T3導(dǎo)通導(dǎo)致T3、T4直通；T2的設(shè)置主要是為了給T3、T4提供驅(qū)動(dòng)。在Vout由低變高時(shí)，T2的基極電荷在T1的作用下被迅速抽走，關(guān)斷比較快，T2關(guān)斷，T3即打通。但是T4的基極電荷只能通過R4放電，導(dǎo)致T4關(guān)斷得比較慢，如此以來，就有一小段T3、T4直通的時(shí)間，因此需要增加電阻R3限制短路電流。

2. 為什么T2、T4為飽和導(dǎo)通

首先看T4，T4導(dǎo)通時(shí)，其基極電壓為0.7V，輸出端與后級(jí)電路匹配時(shí)，Vout通過下一級(jí)的R1、T1的發(fā)射結(jié)上拉到VCC，這個(gè)集電極電阻足以使其飽和導(dǎo)通（不行就設(shè)置好R1的阻值）。T2是必須要飽和導(dǎo)通的，因?yàn)門2工作在放大區(qū)會(huì)使Vout的輸出具有不確定性(影響T3的基極電位)，T2的飽和導(dǎo)通是由其基極電流保證的。如前述，T2導(dǎo)通時(shí)，T1的發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏，三極管T1工作在倒置態(tài)。此時(shí)T2基極電流與T1基極電流相當(dāng)，設(shè)置R1即可保證使2飽和。

3. 如何理解三極管T1的倒置工作狀態(tài)

隨便翻開一本教材或者TTL的資料，都會(huì)寫三極管T1在輸入為高電平的時(shí)候，處于倒置放大的工作狀態(tài)，這種感覺好像是電路設(shè)計(jì)者精心這么設(shè)計(jì)的，故意使用三極管的倒置放大來實(shí)現(xiàn)什么目的，但對(duì)為什么這么用又沒有下文。實(shí)際上，這只是對(duì)三極管工作狀態(tài)的一種客觀描述。我建議教材不要單獨(dú)把這個(gè)狀態(tài)單獨(dú)強(qiáng)調(diào)一下，沒有什么用還容易誤導(dǎo)人，除非把龔總原理給講清楚。得出以上結(jié)論的理由如下：

首先，三極管各個(gè)級(jí)之間是有寄生電容的，當(dāng)三極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，先要把基極的電荷給放掉，這個(gè)放電過程需要時(shí)間，直接影響三極管的開關(guān)速度，這是前提。

采用TTL電路的解法時(shí)，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，T1倒置放大，T2的飽和由R1保證；當(dāng)輸入由高變低時(shí)，T1的基極被鉗位到0.7V，由于T2、T4關(guān)斷需要時(shí)間，T1的集電極電位仍保持在1.4V，因此，T1處于放大狀態(tài)，可以迅速地抽取T2基極的電荷，使T2迅速關(guān)斷。如果換一種接法，讓T1的集電極作為輸入，如圖2所示：

圖2

當(dāng)T1的輸入為高時(shí)，T1的基極電位為2.1V，集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏，該電流可以使得T2飽和導(dǎo)通。當(dāng)T1的輸入由高變低時(shí)，T1的基極電位為0.7V，發(fā)射極電位為1.4V，T1處于倒置放大狀態(tài)，此時(shí)T2的基極電流顯然要小于T1處于放大區(qū)的電流，因此T2需要更長(zhǎng)的時(shí)間關(guān)斷，影響了其開關(guān)速度。

通過以上說明可以發(fā)現(xiàn)，T1是否工作在倒置放大無需額外說明，哪種接法能提供更快的開關(guān)速度才是關(guān)鍵。

4. 電平門限計(jì)算

TTL電平門限也是沒有標(biāo)準(zhǔn)的，因廠家而異，但也需要滿足一定的范圍，以圖1電路為例，計(jì)算如下。

輸出高電平：

如果輸入電平由高逐漸降低時(shí)，降到0.7V，T4會(huì)先關(guān)閉，T2仍然導(dǎo)通，此時(shí)假設(shè)R4的電壓為臨界值0.7V，則，T3的基極電壓為：

因此，有：

輸出低電平視飽和程度，取最大不超過0.4V。

輸入低電平：

輸入為低時(shí)，輸出應(yīng)為高，前面已經(jīng)分析，要使輸出為高，臨界條件為T4剛關(guān)閉時(shí)，此時(shí)輸入不應(yīng)超過1.4V。假如以不以T2導(dǎo)通為標(biāo)準(zhǔn)，則輸入低電平最大不應(yīng)超過0.7V。

輸入高電平：

按前述分析，輸入高電平最低不應(yīng)低于1.4V。