标题: TTL逻辑门电路 [打印本页]
作者: yuyang911220 时间: 2015-7-28 15:34 标题: TTL逻辑门电路
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
CD段：当vI的值继续增加并超越C点，使T3饱和导通,输出电压迅速下降至v0≈0.2V。D点处的vI(D)值,可以根据T2、T3两发射结电压VF≈0.7V来估算。因此有
DE段：当vI的值从D点再继续增加时，T1将进人倒置放大状态,保持vO＝0.2V。至此，得到了TTL反相器的ABCDE折线型传输特性。
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