深入讲解TTL门电路工作原理

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。

可见实现了与非门的逻辑功能之一：输入全为高电平时，输出为低电平。

2）A、B任意一个输入低电平≤0.8V（逻辑0）

当输入端中有一个或几个为低电平（逻辑0）时，T1的基极与发射级之间处于正向偏置，该发射结导通，T1的基极电位被钳位到Vb1=VB+0.7≤1.5V。

1、当Vb1≤1.4时，T2和T3都截止。由于T2截止，由工作电源VCC流过R2的电流仅为T4的基极电流，这个电流较小，在R2上产生的压降就小，可以忽略，所以Vb4≈VCC = 5V，使T4和D4导通，则有：VY=Vce=VCC-Vbe4-Ud=5-0.7-0.7=3.6V。

2、当1.4V＜Vb1≤1.5V时，T2放大导通状态而T3依旧截止，所以在R2两端会产生压降，此时，Vb4 = VCC - V2，假设V2 ≤ 1.2V，那么VY=Vce=VCC-V2 - Vbe4-Ud=5-1.2-0.7-0.7≥2.4V。而实际上，逻辑门输出电平≥2.4V就认为是高电平。

可见实现了与非门的逻辑功能的另一方面：输入有低电平时，输出为高电平。

综合上述两种情况，该电路满足与非的逻辑功能，是一个与非门。