TTL反相器的工作原理(精)

2020/8/512.3.1TTL反相器的工作原理2.3.2TTL反相器的电压传输特性及参数2.3TTL反相器2.3.4TTL反相器的其它参数2.3.3TTL反相器的输入特性和输出特性结束放映2020/8/52复习什么是高电平？什么是低电平？什么是状态赋值？什么是正逻辑？什么是负逻辑？二极管与门、或门有何优点和缺点？2020/8/532.3TTL反相器TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称晶体管—晶体管逻辑门电路，简称TTL电路。TTL电路的基本环节是反相器。简单了解TTL反相器的电路及工作原理，重点掌握其特性曲线和主要参数（应用所需知识）。2020/8/542.3.1TTL反相器的工作原理1.电路组成图2-9TTL反相器的基本电路2020/8/55(1)输入级NPN当输入低电平时，uI=0.3V，发射结正向导通，uB1=1.0V当输入高电平时，uI=3.6V，发射结受后级电路的影响将反向截止。uB1由后级电路决定。NNP2020/8/56(2)中间级反相器VT2实现非逻辑反相输出同相输出向后级提供反相与同相输出。输入高电压时饱和输入低电压时截止2020/8/57(3)输出级（推拉式输出）VT3为射极跟随器低输入高输入饱和截止低输入高输入截止导通2020/8/582.工作原理（1）当输入高电平时，uI=3.6V，VT1处于倒置工作状态，集电结正偏，发射结反偏，uB1=0.7V×3=2.1V，VT2和VT4饱和，输出为低电平uO=0.3V。2.1V0.3V3.6V2020/8/59（2）当输入低电平时，uI=0.3V，VT1发射结导通，uB1=0.3V+0.7V=1V，VT2和VT4均截止，VT3和VD导通。输出高电平uO=VCC-UBE3-UD≈5V-0.7V-0.7V=3.6V1V3.6V0.3V2020/8/510(3)采用推拉式输出级利于提高开关速度和负载能力VT3组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，又能提高负载能力。当输入高电平时，VT4饱和，uB3=uC2=0.3V+0.7V=1V，VT3和VD截止，VT4的集电极电流可以全部用来驱动负载。当输入低电平时，VT4截止，VT3导通(为射极输出器)，其输出电阻很小，带负载能力很强。可见，无论输入如何，VT3和VT4总是一管导通而另一管截止。这种推拉式工作方式，带负载能力很强。2020/8/5112.3.2TTL反相器的电压传输特性及参数电压传输特性：输出电压uO与输入电压uI的关系曲线。图2-10TTL反相器电路的电压传输特性截止区线性区转折区饱和区1.曲线分析VT4截止，称关门VT4饱和，称开门2020/8/5122.结合电压传输特性介绍几个参数(1)输出高电平UOH典型值为3V。(2)输出低电平UOL典型值为0.3V。2020/8/513(3)开门电平UON一般要求UON≤1.8V(4)关门电平UOFF一般要求UOFF≥0.8V在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小输入高电平的数值，称为开门电平UON。在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大输入低电平的数值，称为关门电平UOFF。UOFFUON2020/8/514(5)阈值电压UTH电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称为阈值电压UTH（又称门槛电平）。通常UTH≈1.4V。(6)噪声容限（UNL和UNH）噪声容限也称抗干扰能力，它反映门电路在多大的干扰电压下仍能正常工作。UNL和UNH越大，电路的抗干扰能力越强。2020/8/515UOFFUNLUILUONUNHUIH2020/8/516①低电平噪声容限（低电平正向干扰范围）UNL=UOFF-UILUIL为电路输入低电平的典型值（0.3V）若UOFF=0.8V，则有UNL=0.8-0.3=0.5(V)②高电平噪声容限（高电平负向干扰范围）UNH=UIH-UONUIH为电路输入高电平的典型值（3V）若UON=1.8V，则有UNH=3-1.8=1.2(V)2020/8/5172.3.3TTL反相器的输入特性和输出特性1.输入伏安特性输入电压和输入电流之间的关系曲线。图2-11TTL反相器的输入伏安特性（a）测试电路（b）输入伏安特性曲线2020/8/518两个重要参数：(1)输入短路电流IIS当uI=0V时，iI从输入端流出。iI=－(VCC－UBE1)/R1=－(5－0.7)/4≈－1.1mA(2)高电平输入电流IIH当输入为高电平时，VT1的发射结反偏，集电结正偏，处于倒置工作状态，倒置工作的三极管电流放大系数β反很小(约在0.01以下)，所以iI=IIH=β反iB2IIH很小，约为10μA左右。2020/8/519图2-12输入负载特性曲线（a）测试电路（b）输入负载特性曲线TTL反相器的输入端对地接上电阻RI时，uI随RI的变化而变化的关系曲线。2.输入负载特性2020/8/520在一定范围内，uI随RI的增大而升高。但当输入电压uI达到1.4V以后，uB1=2.1V，RI增大，由于uB1不变，故uI=1.4V也不变。这时VT2和VT4饱和导通，输出为低电平。虚框内为TTL反相器的部分内部电路2020/8/521RI不大不小时，工作在线性区或转折区。RI较小时，关门，输出高电平；RI较大时，开门，输出低电平；ROFFRONRI→∞悬空时？2020/8/522(1)关门电阻ROFF——在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RI的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路ROFF≈0.7kΩ。(2)开门电阻RON——在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RI的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路RON≈2kΩ。数字电路中要求输入负载电阻RI≥RON或RI≤ROFF，否则输入信号将不在高低电平范围内。振荡电路则令ROFF≤RI≤RON使电路处于转折区。2020/8/5233.输出特性指输出电压与输出电流之间的关系曲线。(1)输出高电平时的输出特性负载电流iL不可过大，否则输出高电平会降低。图2-13输出高电平时的输出特性（a）电路（b）特性曲线拉电流负载2020/8/524图2-14输出低电平时的输出特性（a）电路（b）特性曲线(2)输出低电平时的输出特性负载电流iL不可过大，否则输出低电平会升高。一般灌电流在20mA以下时，电路可以正常工作。典型TTL门电路的灌电流负载为12.8mA。灌电流负载2020/8/5252.3.4TTL反相器的其它参数1.平均传输延迟时间tpd平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。tpd=（tpLH+tpHL）/2图2-15TTL反相器的平均延迟时间2020/8/5262．TTL门电路主要参数的典型数据表2-574系列TTL门电路主要参数的典型数据参数名称典型数据导通电源电流ICCL≤10mA截止电源电流ICCH≤5mA输出高电平UOH≥3V输出低电平UOL≤0.35V输入短路电流IIS≤2.2mA输入漏电流IIH≤70μA开门电平UON≤1.8V关门电平UOFF≥0.8V平均传输时间tpd≤30ns2020/8/527作业题2-6