理解TTL电路中的非门（反相器）

单晶体管反相器虽具说明性，但缺乏真实数字逻辑所需性能。实用非门采用多晶体管以获得高压增益，确保输出晶体管在完全截止或饱和下清晰工作，并含保护元件防意外损坏。

实用反相器原理图

下图为功能完整的TTL非门原理图，含所有可靠高增益运行必需组件：

设计仅依赖电阻、二极管和双极结型晶体管（BJT）。使用场效应管（FET）的替代拓扑也可实现非操作，后续章节介绍。

非门电路操作分析

高输入

先考输入逻辑高（二进制“1”）情形。可用开关将输入脚接供电电压 Vcc 建模：

输入驱动高时，二极管 D1 反偏不导通。其唯一目的是防止意外负电压加到输入而保护晶体管。

此条件下，晶体管 Q1 基极-发射极结不导通。但 Q1 非传统用法；它作为背靠背二极管对工作。下图简化原理图说明此角色：

Q1 中两二极管根据输入逻辑电平引导电流至或离 Q2 基极。为理解引导动作，设想简化电路仅含 Q2 和 Q4 基极-发射结作单二极管，其余电路移除：

输入开关在“上”位置（接 Vcc）时，Q1 左引导二极管无电流流过，因无电压回路驱动电子。但电流流过右引导二极管、Q2 基极-发射二极管和 Q4 基极-发射二极管：

这意味着实际反相器中 Q2 和 Q4 接收基极电流导通，允许集电极电流流过。从两引导二极管结节点到地的压降约2.1V——三个硅PN结压降之和（右引导二极管、Q2 基极-发射结、Q4 基极-发射结）。

低输入

现将输入开关拨至“下”位置观察行为：

此状态下，所有电流流经 Q1 左引导二极管，右侧无电流。虽右二极管及 Q4、Q2 串联似有完整路径，但左二极管正向压降（硅约0.7V）不足以正向偏置其他两二极管串联串，阻止 Q2 或 Q4 基极电流。两晶体管均保持截止。

输入高时，左引导二极管无压降，允许右二极管经电阻 R1 向 Q2 提供基极电流：

充分基极驱动使 Q2 饱和，拉低 R3 以正向偏置 Q4 基极-发射结，Q4 亦饱和。输出节点有效短路至地，产生逻辑“0”。二极管 D2 防止 Q3 导通，使其截止。

低输入输出分析

反之，输入低时，电流流经 Q1 左引导二极管，关断 Q2 和 Q4。Q3 基极获得足够电压正向偏置其基极-发射结，驱动饱和。输出升至高电平（典型约4V，视负载和饱和度），满足逻辑“1”。因此反相器实现完美逻辑反相：“1”输入得“0”输出，反之亦然。

电路观察

此TTL反相器一显著特性：输入悬空时默认为高逻辑电平。此时左引导二极管无电流，R1 全部偏置加到 Q2 基极，导通并驱动输出低：

晶体管-晶体管逻辑（TTL）

TTL门悬空假高是晶体管-晶体管逻辑家族基本特性。此行为简化门输出设计，尤其当一门输出驱动另一门输入时，因TTL输入仅需接地路径指示低态，可悬空指示高态。

拉电流与灌电流

拉电流

TTL门可通过图腾柱输出级拉电流和灌电流。输出高时，饱和 Q3 连接输出节点至 Vcc，允许电流从负载流经 Q3 发射极回供电：

概念上输出可视为双投开关：门输出高时开关连输出至 Vcc；输出低时连输出至地。

灌电流

输出低时，Q4 晶体管连输出至地，允许电流从供电经负载流入 Q4 发射极：

输出高时拉电流、低时灌电流的双重能力，对驱动广泛数字负载至关重要。

TTL运行要求

TTL输入设计仅接受灌电流；悬空固有高。因此驱动TTL输入的门只需提供灌电流路径产生低输入，无需对接收输入拉电流。

开集电极输出

因TTL输入不需拉电流，输出级可简化移除 Q3，得开集电极配置。输出可由外部电阻上拉高：

开集电极反相器门标准符号如下：

复习

• 非（反相器）门输出相反逻辑电平：低输入得高输出，高输入得低输出。
• TTL门由电阻、二极管和BJT构成，提供高压增益和坚固保护。FET基逻辑等替代家族也可用。
• 门“拉”电流时，连输出至正供电压，提供高逻辑电平。
• 门“灌”电流时，连输出至地，提供低逻辑电平。
• 图腾柱输出能拉灌电流，开集电极仅能灌。开集电极门适合驱动TTL输入，因TTL输入从不需拉电流。

相关练习

• TTL逻辑门练习题
• 基本逻辑门练习题