門是使用半導體器件制造的，例如BJT、二極管或FET，使用集成電路可以構建不同的門，像是NAND、NOR這樣的邏輯門在日常應用中用于執行邏輯運算。

其中，數字邏輯電路的制造取決于特定的電路技術或邏輯系列，不同的邏輯系列包括RTL(電阻晶體管邏輯)、DTL(二極管晶體管邏輯)、TTL(晶體管-晶體管邏輯)、ECL(發射極耦合邏輯)和CMOS(互補金屬氧化物半導體邏輯)，一般RTL和DTL很少被使用。本文簡單介紹下晶體管-晶體管邏輯或(TTL)的相關基礎內容。

歷史演變

晶體管-晶體管邏輯由“James L. Buie of TRW”于1961年發明，它適用于開發新的集成電路。這個TTL的實際名稱是TCTL，意思是晶體管耦合晶體管邏輯。1963年，第一批商用TTL器件是由“Sylvania”設計的，被稱為SUHL或“Sylvinia通用高級邏輯家族”。

1964年德州儀器工程師推出軍用溫度范圍的5400系列IC后，晶體管-晶體管邏輯開始大受歡迎。之后，7400系列于1966年通過更窄的范圍推出。

德州儀器推出的7400系列的兼容部件由美國國家半導體、AMD、英特爾、仙童、Signetics、Intersil、Mullard、SGS-Thomson、西門子等多家公司設計。另外，IBM公司還推出了使用TTL供自己使用的非兼容電路。

晶體管-晶體管邏輯通過在大約二十年內緩慢提高速度和功率利用率而應用于許多雙極邏輯代。通常情況下，每個TTL芯片都包含數百個晶體管，單個封裝中的功能范圍從邏輯門到微處理器。

而像Kenbak-1這樣的第一臺PC使用晶體管-晶體管邏輯作為其CPU的替代微處理器。在1970年，Datapoint 2200被使用TTL組件，它是8008和之后的x86指令集的基礎。

Xerox alto在1973年推出的圖形用戶界面以及1981年推出的星型工作站都使用了TTL電路，這些電路在ALU級別合并。

基本概念

晶體管-晶體管邏輯 (TTL) 是由BJT(雙極結型晶體管)組成的邏輯系列。顧名思義，晶體管執行兩個功能，如邏輯和放大。TTL的最佳示例是邏輯門，即7402或非門和7400與非門。

晶體管-晶體管邏輯包括多個晶體管，這些晶體管具有多個發射器和多個輸入。晶體管邏輯的類型主要包括標準TTL、快速TTL、肖特基TTL、高功率TTL、低功率TTL和高級肖特基TTL。

TTL邏輯門的設計可以用電阻和BJT來完成。另外，有幾種TTL變體是為不同目的而開發的，例如用于空間應用的抗輻射TTL封裝和可以提供速度和更低功耗的出色組合的低功率肖特基二極管。

主要類型

如上所述，晶體管-晶體管邏輯有不同的類型，這些分類是根據輸出來設定的，包括：

標準TTL

高速TTL

肖特基TTL

大功率TTL

低功耗TTL

高級肖特基TTL。

低功耗TTL以33ns的開關速度運行，可將功耗降低至1mW。目前，它是通過CMOS邏輯取代的。

與6ns等普通TTL相比，高速TTL具有更快的切換速度。但是，它的功耗很高，如22mW。

肖特基TTL于1969年推出，用于通過在柵極端子處使用肖特基二極管鉗位來避免電荷存儲以提高開關時間。這些柵極端子的工作時間為3ns，但具有19mW等高功耗。

低功率TTL使用來自它的高電阻值，肖特基二極管將提供良好的速度混合以及降低的功率利用率，如2mW。這是最通用的TTL類型，在微型計算機中用作膠合邏輯，基本上取代了過去的子家族，如L、H和S。

高速TTL用于增加從低到高的轉換，這些家族相應地獲得了4pJ和10pJ的PDP，用于3.3V電源以及存儲器接口的LVTTL(低壓TTL)。

大多數制造商會提供更廣泛的溫度范圍。例如，德州儀器7400系列部件的溫度范圍為0–70°C，而5400系列的溫度范圍為-55至125°C。具有高可靠性和特殊品質的部件可用于航空航天和軍事應用，例如SNJ54系列的輻射裝置則用于空間應用。

主要特點

晶體管-晶體管邏輯的特點包括以下幾點內容：

扇出：在不影響其通常性能的情況下，GATE的輸出可以驅動的負載數量。負載是指連接到給定門輸出的另一個門的輸入所需的電流量。

功耗：表示設備所需的功率量，以mW為單位。它通常是電源電壓與輸出高或低時消耗的平均電流的乘積。

傳播延遲：表示輸入電平變化時經過的轉換時間，輸出進行轉換所發生的延遲是傳播延遲。

噪聲容限：表示輸入允許的噪聲電壓量，不影響標準輸出。

主要分類

晶體管-晶體管邏輯是一個完全由晶體管組成的邏輯系列，采用具有多個發射極的晶體管。在商業上，它從74系列開始，如7404、74S86等。根據輸出方式進行分類，可以分為集電極開路輸出、圖騰柱輸出以及三態門輸出。

1、集電極開路輸出

主要特點是其輸出低電平時為0，高電平時為懸空。通常情況下，可以應用外部Vcc，其電路圖如下：

晶體管Q1表現為背靠背放置的一組二極管。任何輸入處于邏輯低電平時，相應的發射極-基極結正向偏置，Q1基極上的電壓降約為0.9V，不足以使晶體管Q2和Q3導通。因此輸出要么是浮動的要么是Vcc，即高電平。

同樣，當所有輸入為高時，Q1的所有基極-發射極結都反向偏置，晶體管Q2和Q3獲得足夠的基極電流并處于飽和模式。輸出為邏輯低(為了使晶體管達到飽和，集電極電流應大于基極電流的β倍)。

集電極開路輸出的應用包括以下內容：

應用于驅動燈或繼電器

應用于執行有線邏輯

應用于公共總線系統建設

2、圖騰柱輸出

圖騰柱意味著在門的輸出中添加有源上拉電路，從而減少傳播延遲，電路圖如下所示：

在上圖中，邏輯運算與集電極開路輸出相同。晶體管Q4和二極管的使用是為了對Q3上的寄生電容進行快速充電和放電。電阻器用于將輸出電流保持在安全值。

3、三態門輸出

它提供3種狀態輸出，如下所示：

下晶體管導通而上晶體管關斷時的低電平狀態。

下晶體管截止，上晶體管導通時的高電平狀態。

當兩個晶體管都關閉時的第三個狀態，它允許直接連接許多輸出。

主要功能

晶體管-晶體管邏輯系列的特性包括以下幾點內容：

邏輯低電平為0或0.2V。

邏輯高電平為5V。

典型的扇出10，這意味著它的輸出最多可以支持10個門。

一個基本的TTL器件消耗近10mW的功率，但隨著使用肖特基器件而降低。

平均傳播延遲約為9ns。

噪聲容限約為0.4V。

另外，晶體管-晶體管邏輯系列IC大多以7系列開頭，包括上說的6個子族(分類)。在任何TTL設備命名法中，前兩個名稱表示設備所屬的子系列的名稱，前兩位數字表示工作溫度范圍，接下來的兩個字母表示設備所屬的子系列，而最后兩位數字表示芯片執行的邏輯功能。例如，74LS02-2是無輸入NOR門，74LS10-Triple是3輸入NAND門。

典型的應用電路

邏輯門用于日常生活中的干衣機、計算機打印機、門鈴等應用。下面給出了使用TTL邏輯實現的2個基本邏輯門。

1、或非門

假設輸入A處于邏輯高電平，相應晶體管的發射極-基極結反向偏置，基極-集電極結正向偏置。晶體管Q3從電源電壓Vcc獲得基極電流并達到飽和。由于Q3的低集電極電壓，晶體管Q5截止。

此外，如果另一個輸入為低電平，則Q4截止，相應地Q5截止，輸出通過晶體管Q3直接連接到地。同樣，當兩個輸入均為邏輯低電平時，輸出將處于邏輯高電平，如下圖所示：

2、非門

當輸入為低電平時，相應的基極-發射結正向偏置，基極-集電極結反向偏置。結果晶體管Q2被切斷，晶體管Q4也被切斷。晶體管Q3達到飽和，二極管D2開始導通，輸出連接到Vcc并變為邏輯高電平。同樣，當輸入為邏輯高時，輸出為邏輯低，如下圖所示：

TTL與其他邏輯系列的比較

通常情況下，與CMOS器件相比，TTL器件使用更多的功率，但是對于CMOS器件，功率利用率并沒有通過時鐘速度來提高。而與當前的ECL電路相比，TTL使用低功耗，但設計規則簡單，速度明顯較慢。

因此，現在很多制造商將TTL和ECL設備結合在同一系統中以獲得最佳性能，但在這兩個邏輯系列中，電平轉換等設備是必要的。與早期的CMOS器件相比，TTL對靜電放電損壞的敏感性較低。

由于TTL器件的o/p結構，o/p阻抗在低和高狀態之間是不對稱的，不適合驅動傳輸線。所以，在需要通過電纜傳輸信號的地方，通過使用特殊的線路驅動器設備緩沖o/p來克服這個缺點。

一旦較高和較低的晶體管都導通，TTL的圖騰柱o/p結構通常會快速重疊，這會導致從電源汲取大量電流信號。這些信號可以在多個IC封裝之間以突發方式連接，從而導致性能降低和噪聲容限降低。通常情況下，TTL系統為每一個或兩個IC封裝使用一個去耦電容器，因此來自一個 TTL芯片的電流信號不會立即降低另一個 TTL芯片的電源電壓。

目前，許多設計人員通過TTL兼容的i/p和o/p電平通過與相應TTL組件相關的部件號(包括相同的引腳排列)來提供CMOS邏輯等效物。因此，例如，74HCT00 系列將為7400雙極系列部件提供多種替代品，但采用的是CMOS 技術。

TTL與其他邏輯系列在不同規格方面的比較包括以下內容：

優缺點

晶體管-晶體管邏輯的主要好處是可以輕松地與其他電路連接，并且由于某些電壓電平以及良好的噪聲容限，可以生成復雜的邏輯功能TTL具有良好的功能，例如扇入，這意味著可以通過輸入接收。

另外，晶體管-晶體管邏輯不受固定放電的傷害，這點不同于CMOS，因此與CMOS相比，TTL更加經濟劃算。

TTL的主要缺點是電流利用率高，TTL的高電流需求會導致具有攻擊性，因為o/p狀態將被關閉。所以，即使使用不同的TTL版本，低電流消耗也將與CMOS有相當激勵的競爭。

隨著CMOS時代到來，TTL應用已經逐漸被CMOS取代。但是，TTL仍然在應用程序中使用，因為它們是非常強大的邏輯門并且相當便宜。

主要應用

TTL的應用包括以下內容。

用于控制器應用以提供0至5Vs

用作驅動燈和繼電器的開關器件

用于DEC VAX 等微型計算機的處理器

用于打印機和視頻顯示終端

總結

晶體管-晶體管邏輯是一組保持邏輯狀態以及使用BJT實現開關的IC，也是如此廣泛使用的原因之一，因為與CMOS和DTL相比，它們價格低廉、速度更快且可靠性高。此外，TTL通過具有多個輸入的柵極中的多個發射極使用晶體管。