上图表示一基本反相器电路及其逻辑符号。下图则是其传输特性
，图中标出了BJT的三个工作区域。对于饱和型反相器来说 ，输入信号必须满足下列条件：逻辑0：Vi
由传输特性可见：
当输入为逻辑０时，BJT将截止，输出电压将接近于VCC，即逻辑１。
当输入为逻辑１时，BJT将饱和导通，输出电压约为0.2～0.3V，即为逻辑０。 可见反相器的输出与输入量之间的逻辑关系是非逻辑关系。
虽然利用以上基本的与、或、非门，可以实现与、或、非三种逻辑运算。但是由于它们的输出电阻比较大，带负载的能力差，开关性能也不理想，因此基本的与、或、非门不具有实用性。解决的办法之一是采用二极管与三极管门的组合，组成与非门、或非门，也就是所谓的复合门电路。与非门和或非门在负载能力 、工作速度和可靠性方面都大为提高，是逻辑电路中最常用的基本单元。下图给出了复合门电路的一个例子及其逻辑符号和逻辑表达式。
下面将要介绍的是一些切实可用的逻辑门电路。 第四节 TTL逻辑门电路
以双极型半导体管为基本元件，集成在一块硅片上，并具有一定的逻辑功能的电路称为双极型逻辑集成电路，简称TTL逻辑门电路。
下面首先讨论基本的BJT反相器的开关速度不高的原因 ，再讨论改进的TTL反相器和TTL逻辑门电路。
一、基本的BJT反相器的动态性能
BJT开关速度受到限制的原因主要是由于BJT基区内存储电荷的影响，电荷的存入和消散需要一定的时间。
考虑到负载电容CL的影响后基本反相器将成为如下图所示的电路 。图中CL包含了门电路之间的接线电容以及门电路的输入电容。
当反相器输出电压vO由低向高过渡时 ，电路由VCC通过Rc对CL充电。 当vO由高向低过渡时，CL又将通过BJT放电。
这样，CL的充、放电过程均需经历一定的时间，这必然会增加输出电压vO波形的上升时间和下降时间。特别是CL充电回路的时间常数RcCL较大时，vO上升较慢，即增加了上升时间。 基于器件内部和负载电容的影响 ，导致基本BJT反相器的开关速度不高。 寻求更为实用的TTL电路结构，是下面所要讨论的问题。 二、TTL反相器的基本电路
由前面的分析已知，带电阻负载的BJT反相器 ，其动态性能不理想。在保持逻辑功能不变的前提下，可以另外增加若干元器以改善其动态性能 ，如减少由于BJT基区电荷存储效应和负载电容所引起的时延。这需改变反相器输入电路和输出电路的结构 ，以形成TTL反相器的基本电路。下图就是一个TTL反相器的基本电路。
该电路由三部分组成：
由三极管T1组成电路的输入级； 由T3、T4和二极管D组成输出级；
由T2组成的中间级作为输出级的驱动电路，将T2的单端输入信号vI2转换为互补的双端输出信号vI3和vI4，以驱动T3 和T4。 1.TTL反相器的工作原理
这里主要分析TTL反相器的逻辑关系,并估算电路中有关各点的电压，以得到简单的定量概念。
（1）当输入为高电平，如vI＝3.6V时，电源VCC通过Rbl和T1的集电结向T2、T3提供基极电流，使T2、T3饱和，输出为低电平，如 vO＝0.2V。此时 VB1＝VBC1＋VBE2＋VBE3＝（0.7＋0.7＋0.7）V＝2.1V
T1的发射结处于反向偏置 ，而集电结处于正向偏置。所以T1处于发射结和集电结倒置使用的放大状态。由于T2和T3饱和，输出 VC3 ＝0.2V，同时可估算出VC2的值：VC2＝VCE2＋VB3＝（0.2＋0.7）V＝0.9V 此时，VB4＝VC2＝0.9V。作用于T4的发射结和二极管D的串联支路的电压为VC2－Vo＝（0.9－0.2）V＝0.7V，显然，T4和D均截止，实现了反相器的逻辑关系：输入为高电平时，输出为低电平。
（2）当输入为低电平且电压为0.2V时，T1的发射结导通，其基极电压等于输入低电压加上发射结正向压降，即：VB1＝（0.2＋0.7）V＝0.9V
此时VB1作用于T1的集电结和T2、T3的发射结上，所以T2、T3都截止，输出为高电平。 由于T2截止，VCC通过RC2向T4提供基极电流，致使T4和D导通，其电流流入负载。 输出电压为vO＝Vcc－VBE4－VD＝（5－0.7－0.7）V＝3.6V
同样也实现了反相器的逻辑关系：输入为低电平时，输出为高电平。 2.采用输入级以提高工作速度
当TTL反相器输入电压由高（3.6V)变低（0.2V）的瞬间，VB1 ＝（0.2＋0.7）V＝0.9V。但由于T2、T3原来是饱和的 ，它们的基区存储电荷还来不及消散，在此瞬间，T2、T3的发射结仍处于正向偏置，T1的集电极电压为Vc1 ＝VBE2＋VBE3＝（0.7＋0.7）V＝1.4V。
此时T1的集电结为反向偏置［集电结电压＝VB1－VC1＝(1－1.4)V＝-0.4V］，因输入为低电平（0.2V）时，T1的发射结为正向偏置,于是T1工作在放大区。这时产生基极电流iB1，其射极电流
流入低电平的输入端。集电极电流
的方向是从T2的基极流向T1
的
集电极，它很快地从T2的基区抽走多余的存储电荷，使T2迅速地脱离饱和而进人截止状态。T2的迅速截止导致T4立刻导通，相当于T3的负载是个很小的电阻，使T3的集电极电流加大，多余的存储电荷迅速从集电极消散而达到截止，从而加速了状态转换。 3.采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力
由T3、T4和二极管D组成推拉式输出级。其中T4组成电压跟随器，而T3为共射极电路，作为T4的射极负载。这种输出级的优点是，既能提高开关速度，又能提高带负载能力。根据所接负载的不同，输出级的工作情况可归纳如下：
（1）输出为低电平时，T3处于深度饱和状态 ，反相器的输出电阻就是T3的饱和电阻，这时可驱动较大的电流负载。而且由于T4截止
，所以负载电流就是T3的集电极电流，也就是说T3的集电极电流可以全部用来驱动负载。 （2）输出为高电平时，T3截止 ，T4组成的电压跟随器的输出电阻很小，所以输出高电平稳定，带负载能力也较强。
（3）输出端接有负载电容CL时 ，当输出由低电平跳变到高电平的瞬间，T2和T3由饱和转为截止，由于T3的基极电流是经T2放大的电流，所以T2比T3更早脱离饱和，于是T2的集电极电压vC2比T3的集电极电压vC3上升更快。同时由于电容CL两端的电压不能突变，使c2和c3之间的电位差增加，因而使T4在此瞬间基极电流很大，T4集电极与发射极之间呈现低电阻 ，故电源VCC经RC4和T4的饱和电阻对电容CL迅速充电，其时间常数很小，使输出波形上升沿陡直。而当输出电压由高变低后，输出管T3深度饱和，也呈现很低的电阻，已充电的CL通过它很快放电，迅速达到低电平，因而使输出电压波形的上升沿和下降沿都很好。 三、TTL反相器的传输特性
现在来分析TTL反相器的传输特性。下图为用折线近似的TTL反相器的传输特性曲线。由图可见 ，传输特性由4条线段AB、BC、CD和DE所组成。
AB段：此时输入电压vI很低，T1的发射结为正向偏置。在稳态情况下，T1饱和致使T2和T3截止，同时T4导通。输出vo＝3.6V为高电平。
当vI增加直至B点 ，T1的发射结仍维持正向偏置并处于饱和状态 。但vB2＝vc1增大导致T2的发射结正向偏置 。当T1仍维持在饱和状态时，vB2的值可表示为 vB2＝vI＋VCES
为求得B点所对应的vI,可以考虑vB2刚好使T2的发射结正向偏置并开始导电。此时vB2应等于T2、发射结的正向电压VF≈0.6V。但iE2≈0在忽略vRe2。的情况下，于是由上式得：
BC段：当vI的值大于B点的值时，由T1的集电极供给T2的基极电流
，但T1仍保持为饱和状态 ，这就需要使T1的发射结和集电结均为正向偏置。 在BC段内，T2对vI的增量作线性放大，其电压增益可表示为
电压增量上通过T4的电压跟随作用而引至输出端形成输出电压的增量，且在一定范围内，有
，所以传输特性BC段的斜率为
。必须注意到在BC段内，Re2上所产生的电压降还不足以使
T3的发射结正向偏置，T3仍维持截止状态。
当Re2上的电压vRe2达到一定的值，能使T3的发射结正偏，并有vBE3=VF=0.7V时，则有
或
式中VF＝0.7V，表示T3已导通。由于,C点处的输出电压变为
根据线段BC的斜率为-1.6，对应于C点的vI值可由下述关系求得：
由此得