TTL逻辑详述

TTL（Transistor-Transistor Logic）即晶体管-晶体管逻辑，是一种集成电路，通过使用双极晶体管，来执行逻辑功能以提供开关功能。TTL设备最重要的特性是，门的输入在未连接时，将为逻辑高电平。

TTL逻辑电平与阈值电压电平

大多数的系统依赖于3.3V或5V的TTL电平。我们通常使用的STM32采用的就是3.3V的TTL电平。对于逻辑，阈值电压电平都很重要。

图中有几个参数十分重要。

$V_{OH}$：TTL设备为高信号提供的最小输出电压电平
$V_{IH}$：高电平的最小输入电压电平
$V_{IL}$：低电平的最大输入电压电平
$V_{OH}$：TTL设备为低信号提供的最大输出电压电平

如何理解呢？

输入TTL设备的电压在2V以上，被视为逻辑1；TTL设备输出给驱动高电平设备的电压在2.7V以上。这之间有0.7V的缓冲，被称作是噪声容限。

当一个信号受到了噪声干扰，超过了噪声容限，就可能出现电平反转。如何解决这个问题，详见电控 | 串口通信基础——串口协议概述。

如果一个信号的电压介于0.8V~2V之间，会发生什么呢？这个电压范围是不确定的，会导致无效状态，通常称之为浮动。如果在设备上的输出引脚在此范围上浮动，则无法确定信号会产生什么效果，可能会是高电平也可能会是低电平。

仅仅为做电控和理解RS232等标准的，读到这里就可以了。

TTL逻辑门电路

那么，电路是如何工作的呢？

T1是输入三极管，T2是分相器，T3和T4提供图腾柱输出。

当输入A和B为高电平，晶体管T2和T3导通，充当共射放大器。T4和射极的二极管正向偏置，流过的电流量忽略不计，输出为低电平，代表为0.

当输入A和B为低电平，二极管D1和D2正向偏置。由于5V的电源电压VCC的存在，电流流过D1和D2以及电阻R1流向地面。R1中电源电压下降，T2关断，因为没有足够的电压来导通了。因此，T4也因为T2的截止而截止。晶体管T3导通并充当射极跟随器，输出高电平，代表逻辑1.

当输入A和B任何一个为低电平时，二极管就会由于低输入而正向偏置，操作过程相同，输出为高电平，代表逻辑1.

说到这里，可能对于没有学习模电的同学或者还不够深入的同学有些深奥。如果是还没学习模电的同学，可以参阅电控 | 基础理论详解——三极管。

为了更加清晰的解释TTL电路的工作原理，下面进行详细的解释。

第一级输入级

输入级以T1和R1为主。这里的三极管很特殊，我们可以发现他有两个射极。这是一个多射极晶体管，图示只有两个，实际上它做成三个，四个，以及更多，都是没问题的。这取决于你需要实现的信号进行NAND运算的端子数。

在两个射极上，有两个二极管。这两个二极管起到保护的作用。在正常工作的时候，二极管不工作。在不正常工作的时候，即输入信号为负电压时，对于射极而言将施加反向电压。由于射极的参杂浓度高，参杂浓度越高，击穿电压越低。因此在这种情况下，射极容易被击穿（齐纳击穿）。当输入电压为负电压时，二极管的另外一端为正电压。此时电流方向为二极管的导通方向，大电流可以顺着二极管接地，以避免三极管被击穿。

第二级中间级

R2, T2和R3共同构成了中间级，又称为分相级。所谓分相级，就是指相位不相同。在之后输出级的输出管所得到的信号，显然是不同的。其中之一和T2的基极通向，另外一个和T2的基极反向。

第三级输出级

R4, V4和V3共同构成输出级。V3和V4显然是能够轮流工作，因为它们得到的相位就是相反的。一个工作，另外一个就不工作。这种输出级又被称为推拉式输出级，或被成为图腾柱输出。

三级协同的工作原理

首先明确一个规定，对于TTL而言，暂且认为低电平为0.3V，高电平为3.6V.

想要通过系统分析来研究三级协同，我们不妨把A和B的所有可能的电平状态都罗列出来：

$U_A$	$U_B$	$U_F$
0.3	0.3
3.6	0.3
0.3	3.6
3.6	3.6

然后，我们就可以开始分析了

情况一： $U_A=0.3V$, $U_B=0.3V$

当A端和B端都输入了0.3V的时候，由于钳位电压的存在，会使得基极与射极之间存在0.7V的压降。因此，射极电压为1V.

下面我们分析T2与T4的导通状态。倘若T2需要导通，则至少需要0.7V＋0.7V = 1.4V的电压。（T1的0.7与T2的0.7，且输入电平为0）。倘若T4也能够导通，则至少需要0.7 + 0.7 + 0.7 = 2.1V的电压。但是，射极电压传给集电极的电压也就1V，这意味着T2和T4无法导通。