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1、 3.5 TTL 门电路门电路 3.5.1 3.5.1 双极性三极管的开关特性双极性三极管的开关特性 1.双极型三极管的结构双极型三极管的结构 一一.双极型三极管的开关特双极型三极管的开关特性性 在工作时，有在工作时，有电子电子和和空穴空穴两种载流子参与导电两种载流子参与导电过程，故称这类三极管为过程，故称这类三极管为双极型双极型三极管。三极管。1 2.双极型三极管的输入特性和输出特性双极型三极管的输入特性和输出特性（1）输入特性）输入特性 以以 b 和和 e 之间之间的的发射结作为输入发射结作为输入回路回路，可得到表示，可得到表示输入输入电压电压 vBE 和输和输入入电流电流 iB 之间关系
2、之间关系的的输入特性曲线输入特性曲线。输入特性曲线近似于输入特性曲线近似于指数曲线指数曲线，一般采用图中，一般采用图中虚线所示的折线来近似。虚线所示的折线来近似。VON 称为开启电压称为开启电压VON=0.5 0.7V(硅管硅管)VON=0.2 0.3V(锗管锗管)2（2）输出特性）输出特性 以以 c 和和 e 之间的回路之间的回路作为输出回路作为输出回路，可得到在不同，可得到在不同iB 值下表示集电极值下表示集电极电流电流 iC 和集电极和集电极电压电压 vCE 之间关系的之间关系的输出输出特性曲线特性曲线。(iC 不仅受不仅受 vCE 的影响，还受输入的影响，还受输入 iB 的的控制控制)
3、放大区（线性区）特点：放大区（线性区）特点：1.iC 随随 iB 成成正比地变化，正比地变化，几乎不受几乎不受 vCE 影响影响2.电流放大系数电流放大系数饱和区特点：饱和区特点：1.iC 不再随不再随 iB 以以 倍的比例倍的比例增加而趋于饱和增加而趋于饱和2.深度饱和状态下，饱和压深度饱和状态下，饱和压降降 VCE(sat)在在 0.3V 以下以下截止区特点：截止区特点：1.iB=0，iC 几乎等于几乎等于02.仅有微小的反向穿透电仅有微小的反向穿透电流流 ICEO 流过。硅三极管流过。硅三极管通常通常 ICEO 在在1A以下以下3 3.三极管的基本开关电路三极管的基本开关电路VccRCR
4、Bvo-+vI-+iBiC由输入特性可知：由输入特性可知：iB=0，三级管三级管截止截止由输出特性可得：由输出特性可得：所以所以 vO=vOH VCCiB=0 时时 iC 0(1)当当 vI VON 时，有时，有 iB 产产生，三极管进入生，三极管进入放大区放大区由三极管的放大系数由三极管的放大系数，可得可得注：电压放大倍数注：电压放大倍数5负载线负载线(3)当当vI 继续升高继续升高时，时，RC 上的压降也随之增大。上的压降也随之增大。当当RC 上的压降接近上的压降接近 VCC 时，时，三极管处于深度饱和状态三极管处于深度饱和状态 开关电路处于导通状态开关电路处于导通状态所以所以6 若以若以
5、 VCE(sat)表示表示三极管深度饱和时的压三极管深度饱和时的压降，则深度饱和时所需降，则深度饱和时所需要的基极电流为要的基极电流为IBS 称为称为基极饱和电流基极饱和电流 所以，为使三极管处于饱和工作状态，开关电路所以，为使三极管处于饱和工作状态，开关电路输出低电平，必须保证输出低电平，必须保证 由于饱和区内的由于饱和区内的 值比线性区内的值比线性区内的 值值小得多，小得多，而且不是常数，所以而且不是常数，所以由上式计算出的由上式计算出的 IBS 值比实际需值比实际需要的要的IBS值要小值要小。7 截止条件截止条件:截止特点截止特点:导通特点导通特点:导通条件导通条件:VccRCRBvo-
6、+vI-+iBiC三极管开关电路的开关特性小结三极管开关电路的开关特性小结8 4.三极管的开关等效电路三极管的开关等效电路 bec截止状态截止状态饱和导通状态饱和导通状态 实际电路中通常都满足实际电路中通常都满足饱和压降饱和压降 ，截，截止时的止时的反向穿透电流反向穿透电流 ，所以在分析三极管，所以在分析三极管开关电路时经常使用下面的开关等效电路。开关电路时经常使用下面的开关等效电路。bce Von VCE(sat)RCE(sat)ce Von b95.三极管的动态开关特性：三极管的动态开关特性：tuAR1R2A+uccFuFt+ucc0.3V（三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间）（三
7、极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间）10vEE为为负负电源电源6.三极管反相器三极管反相器Rc(vo)R1AYVCCvEE(vi)R21YAY3V0.30Vvcc11例例2.3.1:已知已知RC=1K,R1=3.3K,R2=10K,=20，VCE(sat)=0.1v,输入的高低电平分别为输入的高低电平分别为VIH=5v,VIL=0v,求输出电平。求输出电平。解解：首先利用戴维南定理将发射结：首先利用戴维南定理将发射结的外接电路化简为如下的等效电路的外接电路化简为如下的等效电路Rc(vo)R1AYVCC=5vvEE=-8v(vi)R2VBe+-bRBe+-bR1R2VEEVI12 当当VI
8、=VIL=V时，时，三极管三极管截止截止，V0=VCC=5V。VBe+-bRBe+-bR1R2VEEVI13 当当VI=VIH=5V时，时，满足满足 ，所以三极管，所以三极管饱和导通饱和导通，V0=VCE(sat)=0。因此，电路参数的设计是合理的。因此，电路参数的设计是合理的。VBe+-bRBRc(vo)R1AYVCC=5vvEE=-8v(vi)R2143.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理一、电路结构一、电路结构 输入输出输入输出均为三极管，均为三极管，所以称为所以称为三极三极管管-三极管三极管逻逻辑电路辑电路（Transistor-Transistor L
9、ogic）简称简称TTL电路。电路。图图3.5.9 TTL反相器的典型电路反相器的典型电路15(v0)+5VYR4R2R1k T2R3T4T1T5b1c1A1.6k 130 1k D2D1(vI)vCCvE2vC2vE2vC21、输入为低电平（、输入为低电平（0.2V）时）时0.9V不足以让不足以让T2、T5导通导通三个三个PN结结导通需导通需2.1Vvo=VCC-vR2-vBE4-vD2 3.4V 高电平！高电平！0.2VPNN导通导通截止截止vR2=IBSR2,将将T4 看作深度饱和，看作深度饱和，IBS 在手册中查到在手册中查到16(v0)+5VYR4R2R1k T2R3T4T1T5b1
10、c1A1.6k 130 1k D2D1(vI)vCCvE2vC22、输入高电平（、输入高电平（3.4V）时）时3.4V全导通全导通电位被电位被钳位钳位在在 2.1V倒置状态倒置状态 0.9V截止截止vO=VCE(sat)T5 0.2V 低电平低电平17(v0)+5VYR4R2R1T2R3T4T1T5b1c1AD2D1(vI)vCC 输出级的工作特点是：在稳定状态下输出级的工作特点是：在稳定状态下 T4 和和 T5 总是总是一一个导通个导通而而另一个截止另一个截止，这就有效地，这就有效地降低了输出级的静态功降低了输出级的静态功耗耗并并提高了驱动负载的能力提高了驱动负载的能力。通常把这种形式的电路
11、称为。通常把这种形式的电路称为推拉式推拉式(push-pull)电路电路或或图腾柱图腾柱(totem-pole)输出电路。输出电路。钳位二极管钳位二极管既既可以可以抑制输入端抑制输入端负极性干扰脉冲，负极性干扰脉冲，又又可以可以防止输入电防止输入电压为负时压为负时T1的发射的发射极电流过大极电流过大18AB段：段：vI 0.6V 截止区截止区 所以所以 VB1 vI 0.7V 线性区线性区 T2工作于放大区，工作于放大区，T5截止截止随着随着vI的升高，的升高，vC2和和vO线性下降线性下降CD段：段：vI 1.4V 转折区转折区 T2和和T5 同时导通，输出电位急剧同时导通，输出电位急剧 下
12、降为低电平；转折区中点对应下降为低电平；转折区中点对应 的输入电压称为的输入电压称为阈值电压阈值电压(VT H)DE段：段：饱和区饱和区 vI 继续升高时继续升高时vO不再变化不再变化.二、电压传输特性二、电压传输特性截止区截止区线性区线性区转折区转折区饱和区饱和区(v0)YR4R2R1T2R5R3T4T1T5AD2D1(vI)vCC19三、输入端噪声容限三、输入端噪声容限在保证输出高低电平在保证输出高低电平基本不变的条件下，输入基本不变的条件下，输入电平的允许波动范围称为电平的允许波动范围称为输入端噪声容限。输入端噪声容限。输入为高电平时的噪声容限：输入为高电平时的噪声容限：VNH=VOH(
13、min)-VIH(min)输入为低电平时的噪声容限：输入为低电平时的噪声容限：VNL=VIL(max)-VOL(max)VOH(min)VIL(max)VOL(max)VIH(min)=0.4 V=0.4 V74系列系列203.5.3 TTL反相器的静态反相器的静态输入特性和输出特性输入特性和输出特性一、输入特性一、输入特性仅考虑输入信号是高电平和和低电平而不是某仅考虑输入信号是高电平和和低电平而不是某一个中间值，输入端的等效电路可画成下图。一个中间值，输入端的等效电路可画成下图。当当VCC=5V，vI=VIL=0.2V时，时，输入低电平电流为输入低电平电流为vI=0时的输入电流叫做时的输入电
14、流叫做输入短路电流输入短路电流 IIS，显显然然 IIS 比比 IIL 略大。略大。当当VI=VIH=3.4V时，时，T1管处于管处于倒置状态倒置状态，所以高电平输入电流，所以高电平输入电流 IIH 很小。很小。74 系列门电路每个输入端的系列门电路每个输入端的 IIH 值在值在 40 A以下以下。21 74系列门电路的运用条件规定，输出为高电平系列门电路的运用条件规定，输出为高电平时，最大负载电流不能超过时，最大负载电流不能超过 0.4mA。二、输出特性二、输出特性.高电平输出特性高电平输出特性T TT TL L反反相相器器高高电电平平输输出出特特性性22 为了保证反相器的低电平，负载电为了
15、保证反相器的低电平，负载电流应小于一定值流应小于一定值。图图2.4.9 TTL2.4.9 TTL反相器低电平输出特性反相器低电平输出特性.低电平输出特性低电平输出特性23R1T1+5V前级前级后级后级反偏反偏流出前级电流流出前级电流IOH（拉电流）拉电流）+5VR4R2R5T3T424R1T1+5V前级前级后级后级流入前级的电流流入前级的电流IOL(灌电流灌电流)+5VR2R13kT2R3T1T5b1c125+5VR4R2R5T3T4T1T1T1扇出系数扇出系数:与门电路输出驱动同类门的个数与门电路输出驱动同类门的个数IIH1IIH3IIH2IOH前级输出为前级输出为 高电平时高电平时后后级级
16、前级前级26+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级前级IOLIIL1IIL2IIL3前级输出为前级输出为 低电平时低电平时后后级级27输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）：输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）：输出高电平时，流出前级的电流（拉电流）：输出高电平时，流出前级的电流（拉电流）：与非门的扇出系数一般是与非门的扇出系数一般是10。28关于电流的技术参数关于电流的技术参数名称及符号名称及符号含义含义输入低电平电流输入低电平电流IIL输入为低电平时流入输输入为低电平时流入输入端的电流入端的电流-1 mA。输入高电平电流输入高电平电流IIH输入为高电平时流入输输入为高电平时流入输
17、入端的电流入端的电流几十几十A。IOL及其极限及其极限IOL（max）当当IOL IOL(max)时，输时，输出不再是低电平。出不再是低电平。IOH及其极限及其极限IOH(max)当当IOH IOH(max)时，输时，输出不再是高电平。出不再是高电平。29TTLTTL反相器的反相器的反相器的反相器的输入特性输入特性输入特性输入特性TTLTTL反相器低电平输出特性反相器低电平输出特性反相器低电平输出特性反相器低电平输出特性VOL=0.2ViL=16mAvI=0.2ViI=-1mA30高高高高电电电电平平平平输输输输出出出出特特特特性性性性VOH=3.2ViL=-7.5mATTLTTL反相器的反相
18、器的反相器的反相器的输入特性输入特性输入特性输入特性31三、输入端负载特性三、输入端负载特性R4R2R1k T2R5R3T4T1T5b1c1A1.6k 130 1k D2(vI)+5VYvCCRP32vI 随随 RP 变化的规律：变化的规律：RPR1 时时 vi VTH 时，时，T2不导通，输出高电平。不导通，输出高电平。（vI 与与 RP 几乎成正比）几乎成正比）当当 vI 上升上升到到1.4V以后以后，T2和和T导通，导通，VB1钳在了钳在了2.1V左右，即使左右，即使 RP 再增大，再增大，vI 也不会再升高了，也不会再升高了，特性曲线趋近于特性曲线趋近于 vI=1.4V 的一条水平线的
19、一条水平线。TTL反相器反相器输入端负载特性输入端负载特性TTLTTL反相器反相器输入端经电输入端经电阻接地时的阻接地时的等效电路等效电路331、悬空悬空的输入端相当于接的输入端相当于接高电平高电平。2、为了防止干扰，可将悬空的输入、为了防止干扰，可将悬空的输入端接高电平。端接高电平。34TTLTTL反相器的反相器的反相器的反相器的输入特性输入特性输入特性输入特性35由左图可见由左图可见接接VOL故得到故得到36一、一、传输延迟时间传输延迟时间(输出电压波形滞后于输入电压波形的时间输出电压波形滞后于输入电压波形的时间)tviotvoo1.5V1.5VtPHLtPLH平均传输时间平均传输时间:3
20、.5.4 TTL反相器的动态特性反相器的动态特性37二二.交流噪声容限交流噪声容限（图（图3.5.22 TTL反相器的交流反相器的交流噪声容限）噪声容限）（a a）正正脉冲噪声容限脉冲噪声容限（b b）负负脉冲噪声容限脉冲噪声容限输入脉冲幅度输入脉冲幅度输入脉冲宽度输入脉冲宽度输出输出高高电压降至电压降至 2.0V 时输入时输入正正脉冲的幅度脉冲的幅度输出输出低低电压上升至电压上升至 0.8V 时输入时输入负负脉冲的幅度脉冲的幅度38v0R4R2R14k T2R3T4T1T5VIH=3.4VD2Vcc=+5V1.6k (a)vOVOL 的情况的情况三三.电源的动态尖峰电流电源的动态尖峰电流 I
21、CCLiB1iC22.1V0.8V假定假定 VON(T5)=0.7VVCE(sat)T2=0.1V则则 vC2=0.8V于是得到于是得到39（b）vOVOH的情况的情况v0R4R2R14k T2R3T4T1T5VIL=0.2VD2Vcc=+5VICCHiB10.9V40图图3.5.26 TTL反相器的电源动态尖峰电流反相器的电源动态尖峰电流VOt41v0R4R2R14k T2R3T4T1T5VIL=0.2V130 D2Vcc=+5V1.6k TTL反相器电源尖峰电流的计算反相器电源尖峰电流的计算iB4iB1iC4 电源尖峰电流带来的影响：使电源尖峰电流带来的影响：使电源的平均电流增加电源的平均
22、电流增加了；它将了；它将通过电源线和地线以及电源的内阻形成一个通过电源线和地线以及电源的内阻形成一个系统内部的噪声源系统内部的噪声源。如果如果 v0 从从低低电平跳电平跳变成变成高高电平的瞬间电平的瞬间 T5 尚尚未脱离饱和导通状态而未脱离饱和导通状态而 T4 已饱和导通，则电源已饱和导通，则电源电流的最大瞬时值为：电流的最大瞬时值为：42 为便于计算尖峰电流的平均值，可以近似地把电源为便于计算尖峰电流的平均值，可以近似地把电源的尖峰电流视为三角波，并认为尖峰电流的持续时间等的尖峰电流视为三角波，并认为尖峰电流的持续时间等于传输延迟时间于传输延迟时间 tPLH，T 为信号重复周期为信号重复周期
23、 一个周期内尖峰一个周期内尖峰脉冲的平均值为脉冲的平均值为或用或用频率频率 f=1/T 表示表示 如果每个周期中输出高、低电平的持续时间相等，电如果每个周期中输出高、低电平的持续时间相等，电源电流的平均值将为源电流的平均值将为433.5.5 其他类型的其他类型的TTL门电路门电路一一.其他逻辑功能的门电路其他逻辑功能的门电路1.与非门与非门ABY0010111010.2V3.4V0.9V3.4V443.4V3.4V2.1V0.2VBYA011101001101452.或非门或非门ABY0101001100.2V3.4V0.9V2.1V0.2V46或非门或非门ABY0010101001100.9
24、V0.9V3.4V0.2V0.2V注：由于或非门的输入端和输出端注：由于或非门的输入端和输出端电路结构与反相器相同，所以输入电路结构与反相器相同，所以输入特性和输入特性也和反相器一样特性和输入特性也和反相器一样473.与或非门与或非门48ABY1101104.异或门异或门0.9V0.2V3.4V0.9V2.1V0.9V3.4V截截止止截截止止截截止止截截止止导导通通导导通通49异或门异或门ABY0000.9V0.2V0.2V0.2V0.9V0.9V截截止止截截止止高高电电平平导导通通导导通通截截止止50异或门异或门ABY1101100001102.1V3.4V3.4V0.2V导导通通导导通通5
25、1二二.集电极开路的与非门（集电极开路的与非门（OC门）门）推拉式输出电路结构的局限性：推拉式输出电路结构的局限性：1.输出端不能并联使用输出端不能并联使用 倘若一个门倘若一个门G1的输出是的输出是高电平而另一个门高电平而另一个门G2的输出的输出是低电平，则输出端并联后是低电平，则输出端并联后必然有很大的负载电流同时必然有很大的负载电流同时流过这两个门的输出级。烧流过这两个门的输出级。烧坏门电路坏门电路 .输出高电平不能变化输出高电平不能变化图图2.4.25 推拉式输出级并联的情况推拉式输出级并联的情况 3.不能满足驱动较大电流、不能满足驱动较大电流、较大电压的负载要求较大电压的负载要求52
26、集电极开路的与非门（集电极开路的与非门（OC门）设计考虑门）设计考虑+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABCT4集电极悬空集电极悬空无无T453应用时输出端要接一上拉应用时输出端要接一上拉负载电阻负载电阻 RL 和和电源电源RLVCC+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC54 集电极开路与非门的电路和图形符号集电极开路与非门的电路和图形符号 工作时需外接电阻和电源工作时需外接电阻和电源551、OC门可以实现门可以实现“线与线与”功能功能F=F1F2F3输出级输出级VCCRLT5T5T5RLVCCF1F2F3F&56VCCRLF1F2F3FF=F1F2F3?任一导通任一导通F=057VCCRLF1F2F3F全部截止全部截止F=1F=F1F2F3?所以：所以：F=F1F2F3!58图图2.4.27 OC门输出并联的接法及逻辑图门输出并联的接法及逻辑图负载电阻负载电阻RL和电和电源源 VCC可以根可以根据情况选择据情况选择59