芯片|深入讲解TTL门电路工作原理
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在硬件电路中 ， 大家可能会用到逻辑门这样的数字器件 ， 然而对于这样的数字器件 ， 内部工艺结构来份的话主要有2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 。 很多工程师也听说过TTL电平和CMOS电平 ， 其实就是指的由这两种工艺构成的逻辑门电路 ， 可以对比大家常用开关管当中的三极管和MOS管 ， 就容易区分了 。
那么 ， 今天就来先介绍一下TTL门电路 。 其实 ， 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 。 所以 ， 接下来就介绍一个经典的TTL与非门电路 ， 理解了它的基本工作原理 ， 其他的自然也就知道了 。
我们以74LS00这款集成芯片逻辑门为例 ， 它内部就是由晶体管构成的 。 它的原理图符号如下图所示：
它的内部结构是什么样子的呢？如下图所示：
（图1）我们先来认识这3个级：输入级、中间级、输出级 。
（图2）输入级：T1是多发射极晶体管 ， 可以把它看成二极管构成的 ， 如图2所示 。 所以根据图中就能看出来 ， 输入级就是一个与门电路：Y’ = A·B 。 只有当A、B都为 1 时 ， Y’ 才会输出 1 ， 其余Y’都为 0 。
中间级：由三极管T2和电阻R2、R3组成 。 在电路的开通过程中利用T2的放大作用 ， 为输出管T3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 。
（图3）输出级：由三极管T3、T4、二极管D4和电阻R4组成 。 如图3所示 ， 图3（a）是三极管非门电路 ， 图3（b）是TTL与非门电路中的输出级 。 从图中可以看出 ， 输出级由三极管T3实现逻辑非的运算 。 但在输出级电路中用三极管T4、二极管D4和R4组成的有源负载替代了三极管非门电路中的R4 ， 目的是使输出级具有较强的负载能力 。 其中D4可以起到三极管be反向击穿的保护作用 。
在理解了每一级工作原理后 ， 下面结合整个内部电路一起分析它的工作逻辑 。 在下面的分析中假设输入高、低电平分别为3.6V和0.3V ， PN结导通压降为0.7V 。
1）A、B输入全为高电平≥2.0V（逻辑1）
如果不考虑T2的存在 ， 则应有Vb1=VA+0.7≥2.7V 。 显然 ， 在存在T2和T3的情况下 ， T2和T3的发射结必然同时导通 。 而一旦T2和T3导通之后 ， Vb1便被钳在了2.1V（Vb1=0.7×3=2.1V） ， 所以T1的发射结反偏 ， 而集电结正偏 ， 称为倒置放大工作状态 。 由于电源通过R1和T1的集电结向T2提供足够的基极电位 ， 使T2饱和 ， T2的发射极电流在R3上产生的压降又为T3提供足够的基极电位 ， 使T3也饱和 ， 所以输出端的电位为VY = Vce_sat ≈0.3V（＜0.4V） ，Vce_sat为T3饱和压降 。
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