互補開關電路

上下拉電阻增強驅動能力？

很多經驗不是空穴來風，只是在流傳的過程中丟失了重要的前提條件。上一節也看到了有一些邏輯器件，他們輸出高和輸出低時的驅動能力差別很大。

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，由于非對稱的輸出級設計，輸出為高時驅動能力只有0.4mA，而輸出低時居然能輸出16mA的電流（手冊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

這個時候在輸出端口外加一個上拉電阻，就可等效以增強端口在輸出H時的驅動能力，但代價是端口輸出L時，驅動能力相應地減弱，不過這時候芯片輸出能力足夠強，用這點代價來換取另一個狀態下驅動能力的增強，還是劃算。

帶上拉電阻的7404

下表是仿真有無上拉電阻時，負載電流與輸出電壓的關系，可以看到上拉電阻確實增強了在一定負載下的輸出電壓，不過當負載電流較大時效果并不明顯，而且邊際效應也很顯著，當上拉電阻減小到一定程度以后，增強效果也不太顯著，而且會大大增加靜態功耗。

帶不同上拉電阻的7404輸出電壓與負載電流的關系

既然非對稱的輸出級有這樣的問題，那為啥不能把這個驅動器設計成上下對稱的呢？

一方面，如果要設計成上下對稱的結構，上管需要用P管，而當時的工藝限制，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輸入結構的特點，輸入為H時所需電流很小，而輸入為L所需的輸入電流很大，這樣對輸出L時的驅動能力要求就很高，反而對輸出H時沒有驅動能力要求（TTL輸入懸空時等效為H）。

但TTL的這種特點，又會帶來一個比較麻煩的問題：下拉電阻值需要很大才能滿足要求，而下拉電阻太大則會導致輸出高時負載太重以至于無法達到規定電壓，所以TTL要盡量避免使用下拉。

下圖是仿真結果，因為這是一個反相器，所以下拉時輸出高是所期望的，而下拉電阻超過1.8kΩ時已經無法滿足TTL定義的最低高電平標準了；而上拉時，就算上拉電阻達到20kΩ，也絲毫不影響輸出。

TTL上下拉電阻取值與輸出電壓的關系

CMOS電路

相信現在已經沒多少人會在設計時選用TTL家族的器件了，可能多數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，上下對稱的結構，上下管驅動能力也基本一致，這個時候輸出的上下拉電阻對增強驅動能力幾乎沒有幫助不說，還加重了負載，屬于得不償失（其實多數情況下是無關痛癢）。

下圖是基本的CMOS反相器，只需要一對互補的MOS管即可實現（現實中的CMOS反相器一般是三對這種管子級聯出來的，為了提高開環增益）。