TTL逻辑门电路 门电路, 二极管, 三极管, 高电平, 开关

苹果也疯狂

在第一章中讨论过由二极管构成的与门和或门。由于实际的二极管并不是理想的，正向导通时存在压降（硅管均为0.7V），所以低电平信号经过一级与门后，其电平将升高0.7V；高电平信号每经过一级或门其电平将下降0.7V。也就是说由二极管构成的与门和或门均不能用以构成实用的逻辑电路。为克服二极管门电路的上述缺点，可采用具有反相放大特性的三极管来构成门电路，即 TTL门电路。在讨论TTL门电路之前，先简要回顾三极管反相器的基本特性。
        一、三极管反相器
        1. 三极管的开关特性
        图2-10为基本的三极管电路及其输出特性。该输出特性可划分成三个区——截止区、饱和区和放大区。
             
        图2-10 三极管反相器
        ①截止区  发射结与集电结均反偏， ， ， ， 。此时三极管的三个电极如同断开一样，其等效电路如图2-11（a）所示。
        ②饱和区  发射结与集电结均正偏，此时C、E间的电压称为极电极饱和压降 。硅管的约为0.1V~0.3V。 几乎不随 的变化而变化。饱和条件可用
        ≥
        来描述。而 表示管子的包和深度。三极管饱和时的等效电路如图2-11（b）所示。
                 
        图2-11 三极管的开关特性
        ③放大区  发射结正偏，集电结反偏 ， 随 线性变化。放大区与饱和区的交界处称为临界饱和。这时 ， 和 分别被称为临界饱和集电极电流和基极电流。
        在数字电路中，许多三极管都处于开关状态，即工作在截止区或饱和区或在两区之间转换。提高这种转换速度就可提高电路的开关工作速度。
        2. 三极管反相器的工作原理
        图2-10也是一种典型的反相器电路，其工作原理如下：
        ① 输入 为低电平   此时输入电平足够小;使得 V, ， ，晶体管处于截止状态，如曲线上D点所示， ，电路输出高电平。
        ② 输入 为高电平   此时输入电平足够大；使 ≥ ，晶体管处于饱和状态，如曲线上A点所示， ，电路输出低电平。
        3. 三极管的开关时间
        由晶体管电路有关知识可知，当输入信号 由高电平变为低电平或由低电平变为高电平时，晶体管不可能立即实现截止与饱和之间的转换。因此， 的变化总滞后于 的变化，从而 的变化也必然滞后于 ，也就滞后于 ，下图所示波形即反映了这种情况。图中，
       
        图2-12 三极管反相器的波形
        从 正向跳变开始到 上升至其最大值90%时所需的时间（即晶体管由截止状态到饱和状态的过渡时间）称为接通时间 。从 负向跳变开始到 下降至其最大值10%时所需的时间（即晶体管由饱和状态到截止状态的过渡时间）称为关闭时间 。 与 的大小关系到三极管电路的工作速度。
        4. 三极管反相器的负载能力
        由于数字电路中的信号电平只有高、低两种状态，故分两种情况来讨论。当 为高电平时， 为低电平，负载电流 流入三极管，称为灌电流负载；当 为低电平时， 为高电平，负载电流 经 流出，称为拉电流负载。
        ① 灌电流负载   此时电流方向如图2-10中 所示，晶体管集电极电流 。由于管子处于饱和状态，故 。 随 增加而增大时，由于 保持不变，所以管子工作点由A点向 点移动， 也相应地增大。当工作点到达 点时，若此时再增加 ，管子将由临界饱和状态进入放大状态， 将迅速上升而偏离低电平，从而破坏了电路的正常工作。因此，管子处于临界饱和点时的 即为反相器所允许的最大负载灌电流 ，且有   
       
        由以上分析可知，要提高反相器灌电流的负载能力，关键在于加大管子的饱和深度，并增大 。
        ② 拉电流负载    此时电流方向如图2-10中 所示，由于此时管子处于截止状态，所以 ，即 ， 增加 就要下降。设 高平下限为 ，则最大负载拉电流 为
       
        显然，要增大 必须减小 ，这与增加灌电流负载能力正好是矛盾的。
        为提高反相器的负载能力，已提出了许多电路结构，图2-13所示的推拉式的结构即为其中的一种。该电路由晶体管 、 、 及电阻 、 组成。 其倒相作用， 和 构
       
        图2-13 推拉式反相器电路