互補(bǔ)開關(guān)電路

上下拉電阻增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力？

很多經(jīng)驗(yàn)不是空穴來風(fēng)，只是在流傳的過程中丟失了重要的前提條件。上一節(jié)也看到了有一些邏輯器件，他們輸出高和輸出低時(shí)的驅(qū)動(dòng)能力差別很大。

TTL（70xx、74Fxx、74Sxx、74LSxx等）家族的器件就屬于這種類型，如下圖是7404（TTL反相器）的原理圖，由于非對(duì)稱的輸出級(jí)設(shè)計(jì)，輸出為高時(shí)驅(qū)動(dòng)能力只有0.4mA，而輸出低時(shí)居然能輸出16mA的電流（手冊(cè)中的輸出電流不是晶體管或者電路本身的極限，而是超過這個(gè)電流以后，輸出的電壓可能無法滿足邏輯族的要求）。

7404的簡化電路

這個(gè)時(shí)候在輸出端口外加一個(gè)上拉電阻，就可等效以增強(qiáng)端口在輸出H時(shí)的驅(qū)動(dòng)能力，但代價(jià)是端口輸出L時(shí)，驅(qū)動(dòng)能力相應(yīng)地減弱，不過這時(shí)候芯片輸出能力足夠強(qiáng)，用這點(diǎn)代價(jià)來換取另一個(gè)狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)能力的增強(qiáng)，還是劃算。

帶上拉電阻的7404

下表是仿真有無上拉電阻時(shí)，負(fù)載電流與輸出電壓的關(guān)系，可以看到上拉電阻確實(shí)增強(qiáng)了在一定負(fù)載下的輸出電壓，不過當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)效果并不明顯，而且邊際效應(yīng)也很顯著，當(dāng)上拉電阻減小到一定程度以后，增強(qiáng)效果也不太顯著，而且會(huì)大大增加靜態(tài)功耗。

帶不同上拉電阻的7404輸出電壓與負(fù)載電流的關(guān)系

既然非對(duì)稱的輸出級(jí)有這樣的問題，那為啥不能把這個(gè)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)成上下對(duì)稱的呢？

一方面，如果要設(shè)計(jì)成上下對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，上管需要用P管，而當(dāng)時(shí)的工藝限制，P管各方面性能都不如N管，速度、功耗和成本都不是很劃算，所以能看到很多上年代的芯片，內(nèi)部幾乎沒有P管（包括MOS工藝的器件也是）。

另一方面，TTL輸入結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，輸入為H時(shí)所需電流很小，而輸入為L所需的輸入電流很大，這樣對(duì)輸出L時(shí)的驅(qū)動(dòng)能力要求就很高，反而對(duì)輸出H時(shí)沒有驅(qū)動(dòng)能力要求（TTL輸入懸空時(shí)等效為H）。

但TTL的這種特點(diǎn)，又會(huì)帶來一個(gè)比較麻煩的問題：下拉電阻值需要很大才能滿足要求，而下拉電阻太大則會(huì)導(dǎo)致輸出高時(shí)負(fù)載太重以至于無法達(dá)到規(guī)定電壓，所以TTL要盡量避免使用下拉。

下圖是仿真結(jié)果，因?yàn)檫@是一個(gè)反相器，所以下拉時(shí)輸出高是所期望的，而下拉電阻超過1.8kΩ時(shí)已經(jīng)無法滿足TTL定義的最低高電平標(biāo)準(zhǔn)了；而上拉時(shí)，就算上拉電阻達(dá)到20kΩ，也絲毫不影響輸出。

TTL上下拉電阻取值與輸出電壓的關(guān)系

CMOS電路

相信現(xiàn)在已經(jīng)沒多少人會(huì)在設(shè)計(jì)時(shí)選用TTL家族的器件了，可能多數(shù)人都沒接觸過這類器件，最常用的還是CMOS家族（HC、HCT、LVC、CD4000等）。

CMOS家族的東西就比較簡單粗暴，上下對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，上下管驅(qū)動(dòng)能力也基本一致，這個(gè)時(shí)候輸出的上下拉電阻對(duì)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力幾乎沒有幫助不說，還加重了負(fù)載，屬于得不償失（其實(shí)多數(shù)情況下是無關(guān)痛癢）。

下圖是基本的CMOS反相器，只需要一對(duì)互補(bǔ)的MOS管即可實(shí)現(xiàn)（現(xiàn)實(shí)中的CMOS反相器一般是三對(duì)這種管子級(jí)聯(lián)出來的，為了提高開環(huán)增益）。