在電子電路領(lǐng)域，TTL 反相器、OC 門、TS 門以及推挽輸出、開漏輸出等概念是重要的基礎(chǔ)知識(shí)。本文將深入解析這些電路的原理、特性及應(yīng)用。

TTL 反相器

TTL 反相器是經(jīng)過眾多工程師精心設(shè)計(jì)、不斷優(yōu)化后沉淀下來的成熟電路。對(duì)于我們而言，只需對(duì)其進(jìn)行深入解析，無(wú)需探究其最初的設(shè)計(jì)過程。學(xué)過 CMOS 的人都清楚，TTL 反相器右側(cè)的輸出級(jí)屬于推挽輸出，因其外形酷似圖騰柱，所以也被稱為圖騰柱。推挽輸出的顯著優(yōu)勢(shì)在于 T4 和 T5 相互獨(dú)立，呈現(xiàn)出要么 T4 導(dǎo)通 T5 截止，要么 T4 截止 T5 導(dǎo)通的狀態(tài)。輸入級(jí)較為簡(jiǎn)單，信號(hào)從 T1 的發(fā)射極傳入并向后傳遞。倒相級(jí)的命名與集電極和發(fā)射極電壓的變化密切相關(guān)。當(dāng) T2 集電極電壓升高時(shí)，發(fā)射極電壓降低；反之，發(fā)射極電壓升高時(shí)，集電極電壓降低，這種相反的變化過程使其得名倒相級(jí)。

通常在討論數(shù)字電路時(shí)，我們采用定性的高低電平說法。但對(duì)于 TTL 反相器電路，需要運(yùn)用定量方法進(jìn)行分析。假設(shè) Vcc = 5V、Vpn = 0.7V、Vce = 0.1V、ViH = 3.4V、ViL = 0.2V。當(dāng) A 輸入 0.2V 時(shí)，T1 的 PN 結(jié)被打通，基極被鉗位在 0.9V。T1 進(jìn)入飽和狀態(tài)后，集電極為 0.3V，導(dǎo)致 T2 截止，T4 基極電位為高電平，T4 導(dǎo)通，電流從 R4、T4、D2、Y 流出。當(dāng)輸入 3.4V 時(shí)，T2 導(dǎo)通，T5 也導(dǎo)通，T4 截止，Y 輸出接近 0 的信號(hào)。輸入級(jí)的 D1 起到保護(hù) T1 的作用，防止 A 點(diǎn)電壓出現(xiàn)負(fù)值時(shí)對(duì) T1 造成損壞。

OC 門

TTL 電路存在一些局限性，如高電平電壓不夠高，R4、T4、D3 會(huì)分壓；不能直接線與，否則電流過大會(huì)損傷三極管。為解決這些問題，我們對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，去掉部分反相器，使電路只能輸出低電平，然后額外掛載一個(gè)電阻和 Vcc' 來提供高電平。Vcc 和 Vcc' 相互獨(dú)立，Vcc' 可根據(jù)后續(xù)電路需求調(diào)整電壓，這樣不僅解決了高電平電壓不足的問題，還能使 TTL 電路推動(dòng) CMOS 電路。這種電路結(jié)構(gòu)被稱為 OC 門，即 Open Collector 集電極開路，與之類似的還有 OD（Open Drain 漏極開路）。OC 門雖名為 “門”，但并非傳統(tǒng)的門電路。在此基礎(chǔ)上，飛利浦公司發(fā)明了 I2C 協(xié)議。

TS 門

上一節(jié)提到了線與，本節(jié)介紹線或的接法。線與必須使用 OC 門和外接電壓實(shí)現(xiàn)，而線或的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，只需添加兩個(gè)二極管即可。對(duì)于 TTL 電路，左邊使用 OC 門搭建，右邊的線或一般不使用 OC 門，因?yàn)?TTL 電路輸出電壓經(jīng)過二極管后可能過低。對(duì)于 I2C 總線協(xié)議，為解決主機(jī)難以判斷信息來源的問題，我們可以通過新增的橙線控制設(shè)備輸出狀態(tài)，使設(shè)備在特定條件下停止工作。

推挽輸出與開漏輸出

在 GPIO 輸出模式中，推挽輸出和開漏輸出是常見的兩種方式。推挽輸出中，T4 和 T5 獨(dú)立工作，要么 T4 導(dǎo)通 T5 截止，要么 T4 截止 T5 導(dǎo)通。當(dāng) GPIO 輸出高電平時(shí)，電流流出，稱為 “推”；輸出低電平時(shí)，電流流入，稱為 “挽”。開漏輸出時(shí)，PMOS 永遠(yuǎn)截止，NMOS 導(dǎo)通時(shí)輸出低電平，截止時(shí)輸出高阻態(tài)。開漏輸出正常工作時(shí)需接一個(gè)上拉電阻，常用于電平不匹配的場(chǎng)合，如 STM32 輸出 3.3V，若要輸出 5V，需接一個(gè) 5V 的上拉電阻。開漏輸出還具有 “線與” 的特性，多個(gè)開漏輸出引腳連接在一起時(shí)，只有都輸出高電平（高阻態(tài)），最終才能輸出高電平。

復(fù)用推挽 / 開漏輸出

推挽輸出和開漏輸出通過上面的線控制，直接對(duì)其編程可控制輸出高低電平。而復(fù)用推挽輸出和復(fù)用開漏輸出使用下面的線，連接單片機(jī)和內(nèi)部外設(shè)，如 PWM、USART、I2C 等。由于這些通信頻率高，使用復(fù)用功能可讓模塊直接控制引腳輸出，方便編程。具體采用哪種工作模式，需根據(jù)實(shí)際工作需求決定，如 I2C 需要線與功能，應(yīng)使用復(fù)用開漏輸出；PWM、串口通訊則使用復(fù)用推挽輸出模式。