TTL门电路

12．3TTL集成门电路2．3．1TTL非门电路1，电路的组成非门电路是TTL集成门电路中结构最简单的一种电路，因非门电路的输出与输入反相，所以非门电路又称为反相器，典型的TTL反相器电路如图2-10所示。由图2-10可见，反相器电路由输入级，倒相级和输出级三部分组成。因图2-9所示电路的输入和输出级电路都是由三极管组成的，所以，图2-10所示电路称为TTL（Transistor-TransistorLogic）门电路。目前较通用的TTL门电路是74LS系列的集成电路。2．电路的工作原理设电源的电压Vcc=5V，R1=3kΩ，R2=750Ω，R3=360Ω，R4=100Ω，各三极管的β=30，导通电压Von=0.7V，输入的低电平电压VIL=0.2V，输入的高电平电压VIH=3.4V。当输入信号电压A为VIL时，因输入信号直接加在三极管T1的发射极，三极管T1的基极通过电阻R1接电源，所以，三极管T1基极的电位大于发射极的电位，三极管T1导通，三极管T1基极的电位为0.9V（VIL+Von=0.2+0.7=0.9V）。因三极管T1集电极回路的电阻是R2和三极管T2集电结的电阻，三极管T1基极的0.9V电位不能使三极管T2和T4导通，所以三极管T1集电极回路的电阻很大，使三极管T1进入深度饱和的状态，UCES1很小，三极管T2基极的电位约等于VIL，三极管T2截止，三极管T2集电极的电位为高电平，发射极为低电平，所以，三极管T4截止，三极管T3导通，输出高电平V0H。当输入信号电压A为VIH时，输入信号电压与三极管T1的导通电压相加，使三极管T1基极的电位可能达VIH+Von=3.4+0.7=4.1V。实际的情况是：三极管T1基极的电位达2.1V时，因三极管T1的集电结，三极管T2的发射结，三极管T4的发射结相串联，同时导通，使三极管T1基极的电位被钳在2.1V，集电极的电位为1.4V。当输入信号电压A为VIH时，三极管T1集电极的电位为1.4V，基极的电位为2.1V，发射极的电位为3.4V，三极管的这种工作状态，相当于发射极和集电极对调，称为倒置。因处在倒置状态下的三极管，没有电流的放大作用，三极管T1的集电极电流很小，集电极处在高电位1.4V，所以，三极管T2导通，发射极为高电位，集电极为低电位，三极管T3截止，三极管T4导通，输出低电平V0L。由上面的分析过程可见，图2-10所示电路输出电压和输入电压的逻辑关系是：所以，图2-10所示的电路称为非门电路。在图2-10所示的电路中，因三极管T2集电极输出的电压信号和发射极输出的电压信号变化的方向相反，所以，由三极管T2组成的电路称为倒相级。三极管T3和T4组成输出级电路，三极管T3和T4的工作状态总是一个导通，另一个截止，处在这种工作状态下的输出电路称为推挽输出电路。推挽输出电路不仅有很低的静态功耗，而且带负载的能力很大。电路中的二极管D1的作用是负极性输入信号的钳位，该二极管可对输入的负极性干扰脉冲进行有效的抑制，以保护集成电路的输入端不会因负极性输入脉冲的作用，引起三极管T1发射结的过流而损坏。二极管D2的作用是提高三极管T3发射极的电位，以确保三极管T4饱和导通时，三极管T3可靠的截止。23．电压传输特性曲线描述非门电路输出电压随输入电压变化关系的函数曲线称为电压传输特性曲线。即（2-1）该函数的曲线如图2-11所示。由图2-11可见，非门电路的电压传输特性曲线由AB，BC，CD，DE四段组成。当VI0.7V时，相当于输入低电平的信号，三极管T3导通，T4截止，输出为高电平VOH，对应的曲线是AB段。用三极管T4的工作状态来命名非门电路的工作区，因非门电路工作在AB段时，三极管T4的工作状态为截止，所以AB段曲线所描述的工作区称为截止区。当VI1.5V时，相当于输入高电平的信号，三极管T3截止，T4导通，输出为低电平VOL，对应的曲线是DE段，DE段曲线所描述的工作区称为饱和区。在BC段，因0.7VVI1.3V，三极管T2导通，但三极管T4仍然截止，这时三极管T2工作在放大区，随着输入电压VI的升高，输出电压VO将下降，输出电压随输入电压按线性规律变化，所以，该段曲线所描述的区间称为线性区。在CD段，因1.3VVI1.5V，三极管T2和T4将同时导通，三极管T3将迅速截止，输出电压VO将迅速下降为低电平，输出电压在该段曲线的中点发生转折跳变，所以，该段曲线所描述的工作区称为转折区。转折区中点所对应的输入电压值称为非门电路的阈值电压，或门槛电压，用符号VTH来表示，图2-11特性曲线的VTH=1.4V。VTH是一个很重要的参数，在近似计算中，常把阈值电压当作确定TTL门电路工作状态的关键值。当VIVTH时，非门截止，输出高电平；当VIVTH时，非门饱和，输出低电平。4．关门电平、开门电平和输入端噪声容限由非门电路的电压传输特性曲线图2-11可见，当输入信号偏离正常的低电平电压（0.2V）时，输出电压并不立刻改变，随着输入电压的进一步增大，输出的高电平电压将下降。当输出电压下降到额定高电平电压的90%时，所对应的输入电压值称为非门电路的关门电压，用符号Voff来表示。同理，当输入信号偏离正常的高电平电压（3.4V）时，输出电压也不会立刻改变。随着输入电压的进一步减小，输出的低电平电压将上升。当输出电压上升到额定低电平电压的110%时，所对应的输入电压值称为非门电路的开门电压，用符号Von来表示。关门电压和开门电压在传输特性曲线上的位置如图2-12所示。由图2-12可见，当输入电压在一定的范围内波动时，非门电路输出电压的逻辑状态将不受影响。描述输入电压波动范围大小的物理量称为输入端噪声容限。输入端噪声容限有低电平噪声容限和高电平噪声容限两个，分别用符号VNL和VNH来表示，如图2-12所示。由图2-12可见，只要低电平输入信号与低电平噪声信号的和比关门电平小，非门电路的输出电压可稳定在高电平；只要高电平输入信号与高电平噪声信号的差比开门电平大，非门电路的输出电压可稳定在低电平。由此可得，非门电路的噪声容限为（2-2）（2-3）当VIL=0.2V，Voff=0.8V，VIH=3.4V，Von=1.7V时，VNL和VNH分别为3噪声容限可用来说明门电路的抗干扰能力，噪声容限大的器件，抗干扰能力强；噪声容限小的器件，抗干扰能力小。提高器件噪声容限的关键是想办法提高器件的关门电压。2．3．2TTL非门电路的输入特性曲线和输出特性曲线TTL门电路的内部电路结构虽然较复杂，但在使用的过程中，主要应考虑的因素是TTL门电路的外特性，TTL门电路的外特性有输入特性和输出特性。1．输入特性曲线在TTL门电路的输入端，描述输入电流随输入电压变化情况的函数称为TTL门电路的输入特性。即（2-4）该函数的曲线称为TTL门电路的输入特性曲线。在规定流入TTL门电路的电流为正，流出的为负的前提下，TTL门电路的输入特性曲线如图2-13所示。图2-13中的IIS称为输入短路电流，指的是输入电压VI=0时的输入电流值。对于图2-10所示的电路中，IIS的值为（2-5）图2-13中的IIH称为输入漏电流，或高电平输入电流，指的是输入端加高电平电压时的输入电流值。在前面的分析中已知，当输入电压为高电平时，三极管T1处在倒置的工作状态下。三极管T1倒置，电流放大倍数β很小，约为0.02左右。取β=0.02，对于图2-10所示的电路中，IIH的值为（2-6）由上面的计算结果可见，TTL门电路的高电平输入电流很小，为微安的量级。低电平输入电流精确的计算较麻烦，通常用输入短路电流来代替，该电流的值为毫安的量级。2．输出特性曲线在TTL门电路的输出端，描述输出电压随输出电流变化情况的函数称为TTL门电路的输出特性。即（2-7）TTL门电路的输出特性曲线有高电平输出特性和低电平输出特性。在规定流出输出端的电流为正，流入输出端的电流为负的前提下，TTL门电路的输出特性曲线如图2-14所示。图2-14的左边为低电平输出特性，右边为高电平输出特性。由图2-14可见，TTL门电路的高电平输出电压会随着输出电流的增加而下降。对于图2-10所示的门电路，当高电平输出电流较小时，门电路的输出电压变化不大，考虑输出功率等因素的影响，门电路的高电平输出电流通常是很小的，集成电路器件手册上给出的74LS系列的门电路高电平输出电流大约为0.4mA。由图2-14还可见，TTL门电路的低电平输出电压会随着输出电流的增大而增大，当低电平输出电压增大到门电路额定的低电平输出电压值时，所对应的输出电流称为门电路的负载电流，用符号IL来表示。在图2-14中，若VOL等于0.2V，IL约等于18mA。43．门电路的扇出系数门电路的输出端根据不同的需要通常都带有不同的负载，门电路输出端典型的负载也是门电路，描述门电路输出端最多所能够带的门电路数称为门电路的扇出系数，门电路带负载的电路如图2-15所示。由门电路的输入特性曲线和输出特性曲线可知，当门电路的输出电压为高电平时，后级门电路的输入信号为高电平。在这种情况下，前级门电路的输出电流分几路流入后级的门电路，后级门电路接收前级门电路输出的电流。因这种接收电流的作用等效于将电流从前级门电路中拉出来，所以，后级门电路被称为拉电流负载。由此可得，门电路高电平输出时，所带的负载为拉电流负载。当门电路的输出电压为低电平时，后级门电路的输入信号为低电平。在这种情况下，后级门电路的输入电流为负值，说明后级门电路的输入端有电流流出，输入端流出的电流汇总后再流入前级门电路的输出端，前级门电路输出端接收后级门电路流出的电流。因这种接收作用等效于后级门电路向前级门电路灌电流的作用，所以后级门电路被称为前级门电路的灌电流负载。由此可得，门电路低电平输出时，所带的负载为灌电流负载。因拉电流负载和灌电流负载的特性不相同，所以，计算门电路的扇出系数时，要分带拉电流负载和带灌电流负载两种不同的情况来计算，最后的结果取较小的那一个。〖例2-2〗设图2-15所示电路中门电路的输入特性和输出特性如图2-13、2-14所示，这些器件的IIH=40µA，IOH=0.4mA，要求VOH3.4V，VOL0.2V，求，门电路的扇出系数。〖解〗由图2-14查得VOL=0.2V时，IL=18mA，由图2-13查得IIS=1.4mA。则，门电路可带灌电流负载的数目N1为取整数得N1=12；因IIH=40µA，IOH=0.4mA，则，门电路带拉电流负载的数目N2为取N1和N2中较小的那个数为门电路的扇出系数，所以，该电路的扇出系数为N=10。4．输入端负载特性在具体使用门电路时，有时需要在门电路的输入端与地之间，或门电路的输入端与低电平输出的信号源之间接人电阻R，如图2-16所示。当门电路的输入端接有电阻R时，门电路输入端电压uI将随电阻R的变化而变化。门电路输入端电压uI随电阻R变化的函数称为门电路的输入端负载特性。5当门电路的输入端与地之间接有电阻R时，门电路输入端的等效电路如图2-17所示。由图2-17可见，流出门电路的输入电流IIL在电阻R上所产生的压降就是门电路输入端的电位uI，根据串联分压公式可得uI的计算公式（2-8）由式2-8可见，门电路输入端电位uI随着电阻R的增大而增大。由图2-17可见，因uI与ube1的和等于ubc1，ube2，ube4三个pn结电压的和，所以，uI的最大值为1.4V。即，uI=1.4V是门电路输入端负载特性曲线的渐近线。门电路输入端负载特性曲线如图2-18所示。由图2-18可见，当TTL门电路的输入端与地之间所接的电阻R较大时，门电路输入端的电位uI=1.4V，相当于门电路输入端接高电平输入电压。根据式2-8可计算出当R的值约为1kΩ时，uI的值约为1.4V。由此可得，当TTL门电路的输入端悬空时，等效于在门电路的输入端与地之间串接一个无穷大的电阻，相当于TTL门电路的输入端接高电平信号。即，TTL门电路输入端悬空，等效于输入高电平信号。5．TTL门电路的传输延迟时间在TTL门电路中，由