TTL和非门的基本结构及工作原理是什么?

1．TTL与非门的基本结构

我们以DTL与非门电路为基础，根据提高电路功能的需要，从以下几个方面加以改进，从而引出TTL与非门的电路结构。

首先考虑输入级，DTL是用二极管与门做输入级，速度较低。仔细分析我们发现电路中的Dl、D2、D3、D4的P区是相连的。我们可用集成工艺将它们做成—个多发射极三极管。这样它既是四个PN结，不改变原来的逻辑关系，又具有三极管的特性。一旦满足了放大的外部条件，它就具有放大作用，为迅速消散T2饱和时的超量存储电荷提供足够大的反向基极电流，从而大大提高了关闭速度。详细情况后面再讲。

第二，为提高输出管的开通速度，可将二极管D5改换成三极管T2，逻辑关系不变。同时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。另外T2和电阻RC2、RE2组成的放大器有两个反相的输出端VC2和VE2，以产生两个互补的信号去驱动T3、T4组成的推拉式输出级。

第三，再分析输出级。输出级应有较强的负载能力，为此将三极管的集电极负载电阻RC换成由三极管T4、二极管D和RC4组成的有源负载。由于T3和T4受两个互补信号Ve2和Vc2的驱动，所以在稳态时，它们总是一个导通，另一个截止。这种结构，称为推拉式输出级。

2．TTL与非门的逻辑关系

因为该电路的输出高低电平分别为3.6V和0.3V ，所以在下面的分析中假设输入高低电平也分别为3.6V和0.3V。

（1）输入全为高电平3.6V时。T2 、T3导通，VB1=0.7×3=2.1（V），从而使T1的发射结因反偏而截止。此时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T3饱和导通，输出电压为：VO=VCES3≈0.3V

这时VE2=VB3=0.7V，而VCE2=0.3V，故有VC2=VE2+ VCE2=1V。1V的电压作用于T4的基极，使T4和二极管D都截止。

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）输入有低电平0.3V时。

该发射结导通，T1的基极电位被钳位到VB1=1V。T2、T3都截止。由于T2截止，流过RC2的电流仅为T4的基极电流，这个电流较小，在RC2上产生的压降也较小，可以忽略，所以VB4≈VCC=5V ，使T4和D导通，则有：

              VO≈VCC-VBE4-VD=5-0.7-0.7=3.6（V）

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。

TTL与非门的开关速度:

1．TTL与非门提高工作速度的原理

（1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。设电路原来输出低电平，当电路的某一输入端突然由高电平变为低电平，T1的一个发射结导通，VB1变为1V。由于T2、T3原来是饱和的，基区中的超量存贮电荷还来不及消散，VB2仍维持1.4V。在这个瞬间，T1为发射结正偏，集电结反偏，工作于放大状态，其基极电流iB1=（VCC-VB1）/Rb1

图2.2.5 多发射极三极管消散T2存储电荷的过程

集电极电流iC1=β1iB1。这个iC1正好是T2的反向基极电流iB2，可将T2的存贮电荷迅速地拉走，促使T2管迅速截止。T2管迅速截止又使T4管迅速导通，而使T3管的集电极电流加大，使T3的超量存贮电荷从集电极消散而达到截止。

（2）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。

2．TTL与非门传输延迟时间tpd

当与非门输入一个脉冲波形时，其输出波形有一定的延迟，如图所示。定义了以下两个延迟时间：

   导通延迟时间tPHL——从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历的时间。

   截止延迟时间tPLH——从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。

与非门的传输延迟时间tpd是tPHL和tPLH的平均值。即

一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒～十几个纳秒。