15 晶体管-晶体管逻辑门电路(TTL与非门)(1)

本节学习要点和要求掌握简易TTL与非门工作过程知道TTL与非门的带负载能力掌握TTL与非门的电压传输特性理解TTL与非门部分参数的意义掌握OC门及三态门的功能掌握典型TTL与非门工作过程基本逻辑门电路1二极管与门电路2二极管或门电路3非门电路─三极管反相器二极管的开关特性一、理想开关的开关特性静态特性1.断开0OFFOFFIR，2.闭合00AKONUR，SAK动态特性1.开通时间：2.关断时间：闭合）（断开断开）（闭合普通开关：静态特性好，动态特性差（几十ms）半导体开关：静态特性较差，动态特性好几百万/秒几千万/秒0ont0offt开关特性静态特性半导体二极管的开关特性1.外加正向电压(正偏)二极管导通(相当于开关闭合)V7.0DU2.外加反向电压(反偏)V.50DU二极管截止(相当于开关断开)0DI硅二极管伏安特性阴极A阳极KPN结-AK+DUDIP区N区++++++++--------正向导通区反向截止区反向击穿区0.50.7/mADI/V0(BR)UDU二极管的开关作用：D+-Iu+-Ou[例]V2LIIUuuO=0VV3HIIUuuO=2.3V电路如图所示，V3V2I或u试判别二极管的工作状态及输出电压。二极管截止二极管导通[解]D0.7V+-半导体二极管的开关特性二极管与门电路uYuAuBR0D2D1+VCC+10V3V0V符号:与门（ANDgate)0V0VUD=0.7V0V3V3V0V3V3V真值表ABY000110110001Y=AB电压关系表uA/VuB/VuY/VD1D200033033导通导通0.7导通截止0.7截止导通0.7导通导通3.7ABY&二极管或门电路uY/V3V0V符号:或门（ORgate)0V0VUD=0.7V0V3V3V0V3V3VuYuAuBROD2D1-VSS-10V真值表ABY000110110111电压关系表uA/VuB/VD1D200033033导通导通0.7截止导通2.3导通截止2.3导通导通2.3Y=A+BABY≥1双极型晶体三极管(BJT)的基本特性一、静态特性NPN发射结集电结发射极emitter基极base集电极collectorbiBiCec(电流控制型)1.结构、符号和输入、输出特性(2)符号NNP(Transistor)(1)结构VBEVBC饱和区反向工作区截止区正向工作区(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)正向工作区IBICIEIE=IB+IC反向工作区IBICIEIC=IB+IE饱和工作区CBEVCES截止区CBE双极型晶体三极管(BJT)的基本特性NPNbiBiCec(3)输入特性CE)(BEBuufi(4)输出特性B)(CECiufiiC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAiB=0024684321放大区截止区饱和区0CEuV1CEu0uBE/ViB/µA发射结正偏放大iC=iB集电结反偏饱和iC＜iB两个结正偏ICS=IBS临界截止iB≈0,iC≈0两个结反偏电流关系状态条件2.开关应用举例V2)1(LIIUuV3)2(HIIUu发射结反偏T截止00CBiiV12CCOVu发射结正偏T导通+RcRb+VCC(12V)+uoiBiCTuI3V-2V2k1002.3k放大还是饱和？12bBEIBRuuicCESCCCSBSRUVII饱和T饱和导通条件：cCCBSBRVIi+RcRb+VCC+12V+uoiBiCTuI3V-2V2k1002.3kmA1mA3.27.03mA06.0mA210012cCCRVV)7.0(BEuV3.0CESOUu≤因为所以V3)2(HIIUuBSBIi非门电路─三极管反相器V0.1ILIUuT截止V5CCOHOVUuV5.2IHIUuT导通mA1mA3.47.05bBEIHBRuUimA17.0mA1305cCCBSRVI饱和导通条件:BSBIi+VCC+5V1kRcRbT+-+-uIuO4.3kβ=30iBiCBSBIiV3.0OLOUuT饱和因为所以状态判断电压关系表uI/VuO/V0550.3真值表0110AYAY符号函数式+VCC+5V1kRcRbT+-+-uIuO4.3kβ=30iBiCAY1AY非门电路─三极管反相器逻辑关系TTL逻辑门电路TTL逻辑门是指输入端和输出端都用双极型晶体三极管的集成电路(称为晶体管—晶体管逻辑门或三极管—三极管逻辑门)。TTL反相器的基本电路+VCC(5V)R1uIuo4kAD1T1T2T4T3DR21.6kR31kR4130Y电路组成输入级中间级输出级D1—保护二极管防止输入电压过低。当uI0.5~0.7V时，D1导通，uI被钳制在0.5~0.7V，不可能继续下降。因为D1只起保护作用，不参加逻辑判断，为了便于分析，今后在有些电路中将省去。0V0.2V工作原理TTL反相器的基本电路+VCC(5V)R1vIvo4kAT1T2T4T3DR21.6kR31kR4130Y(1)vI=VIL=0.2V（低电平）T1的发射结导通：vB1=0.9V0.9VmA02.11B1CCB1RvViT1的基极电压无法使T1的集电结和T2、T3的发射结(3个PN结)导通iC1所以：T2、T3截止，iC1=0因为：T1深度饱和0.2VvB4=5VvO=vB4vBE4vD=(5-0.7-0.7)=3.6V输出为高电平T4、D导通5VRL18+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T4T3DR21.6kR31kR4130Y假设T1导通4.3VV)7.06.3(B1u则T1的集电结和T2、T3的发射结(3个PN结)导通V1.2V)7.03(B1uV4.1B2C1uuV7.0B3E2uuebc注意：T1正常放大时:发射结正偏，集电结反偏，即uCuBuE现在:uEuBuC，即发射结反偏集电结正偏倒置放大02.0iiii=βiib=(1+βi)ib4.3Vce3.6V1.4V0.7V2.1VV6.3)2(IHIUu工作原理191.4V+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T4T3DR21.6kR31kR4130YV6.3IHIUuT1倒置放大状态mA725.011BCCB1RuVimA74.0)1(B1iB2ii假设T2饱和导通VBECES2C213uuuT4、D均截止mA2.52C2CCCS2RuVI(设β1~4=20)mA.02CS2BS2125IIBS2B2B2,mA74.0Iii则T2饱和的假设成立0.3ViB21VICS2iB10.7V2.1V思考：D的作用？若无D，此时T4可以导通，电路将不能实现正常的逻辑运算因为3.6ViE1工作原理+VCC(5V)R1uIuo4kAT1T2T4T3DR21.6kR31kR4130YV6.3IHIUuT1倒置放大状态T2饱和，T4、D均截止3.62.11.40.71T3的工作状态：导通放大还是饱和？R3E2B3iiimA24.3CS2B2E2IiimA0.717.03E23RuiRmA2.54iB2ICS2iB1iE1iE2iB3iR3又因为T4、D均截止，即00BS3CS3II、BS3B3IiT3深度饱和：uO=UCES3≤0.3V（无外接负载）若外接负载RL：BS3CS3IIOTu的饱和程度3RL+VCC0.3所以灌电流负载工作原理0.711.43.6V电路特点TTL反相器的基本电路1.采用输入级以提高工作速度+VCC(5V)R1uIuo4kAD1T1T2T4T3DR21.6kR31kR4130Y首先，输入为高电平（3.6V）2.10.3当输入下跳变时（3.6V0.2V）0.2V0.9但T2、T3的基区存储电荷还来不及消散vB2仍=1.4V所以，T1管Je正偏、Jc反偏，工作在放大状态。则T1管射极电流很快地从T2的基区抽走多余的存储电荷,从而加速了状态转换，使T2进入截止区。vB2=0.2V50.2T4的导通形成低阻通路，又很快地抽走T3的基区存储电荷,使T3加速进入截止区。vO=3.6V2.采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力电路特点TTL反相器的基本电路0.2V0V+VCC(5V)R1vo4kAT1T2T4T3DR21.6kR31kR4130Y0.9ViC10.2V5VRL拉电流负载1.4+VCC(5V)R1vo4kAT1T2T4DR21.6kR31kR4130Y3.62.10.71iE1iB4RL+VCC0.3T3灌电流负载与非门ABCR1R2VCCVOB1B2T1T2ABCO00010011010101111001101111011110两管单元TTL与非门一、简易TTL与非门1.1两管单元TTL与非门结构T1是多发射极三极管，可以看成由三个三极管的基极并接以及三个集电极并接而成，由共同的基极控制，分析电路时每一个发射极均可当成一个三极管来分析。TTL逻辑门电路ABCR1R2VCCVOB1B2T1T21.2两管单元TTL与非门工作原理R1R2VCCB1ABC4K4K4K4K几个假设：1.发射极正向压降，当晶体管正向工作时，取VbeF=0.7V，而当晶体管饱和时，取VbeS=0.7V.2.集电结正向饱和压降，取VbcF=0.6~0.7V。3.晶体管饱和压降，当T1管深饱和时，因Ic几乎为零，取VceS＝0.1V，其余管子取VceS＝0.3V一、简易TTL与非门TTL逻辑门电路1.3.1.输入信号中至少有一个为低电平的情况R1R2VCCB1ABC1VVOL=0.3VVOL=0.3VVB1=VBE1+VOL=0.3V+0.7V=1VVB1被嵌位在1VIB1=(VCC-1V)/R1=5V-1V/4K=1mA4K4KIC1B2T2管截止,VOH=VCC-IOHR2输出高电平时电路供给负载门的电流0.4VIOHT2管的集电结反偏，Ic1很小，满足βIB1Ic1，T1管深饱和，VCES1=(0.4-0.3)V=0.1V，VB2=0.4V一、简易TTL与非门TTL逻辑门电路1.3.2.输入信号全为高电平R1R2VCCB1ABC1.4VVOH=5VVB1=VBC1+VBE2=0.7V+0.7V=1.4VVB1被嵌位在1.4V4K4KIC1B2VOH=5VT1管的发射结反偏,集电结正偏,工作在反向有源区,集电极电流是流出的,T2管的基极电流为:IB2=-IC1=IB1+IB1≈IB1（0.01)IB1=(VCC-VB1)/R1=5V-1.4V/4K=0.9mA∴IB2≈0.9mAT2管饱和，T2管的饱和电压VCES=0.3V∴VOL=0.3V一、简易TTL与非门TTL逻辑门电路ABCR1R2VCCVOB1B2T1T20.7VT1管工作在反向放大区假设:ßF=20,ßR=0.02IB1=(VCC-VB1)/R1=5V-1.4V/4K=0.9mA-IE1=ßRIB1=0.02*0.9=0.018mA-IC1=(ßR+1)IB1=0.918=IB2假设T2管工作在正向放大区2220.9,20200.918BFCFBImAIImA在R2上产生的压降为18mA*4K=72V4K4K不成立一、简易TTL与非门TTL逻辑门电路1.4TTL与非门的特性1.电压传输特性VO(V)VOHVOLQ1Vi(V)Q2Q1,Q2截止区过渡区导通区VOH:输出电平为逻辑”1”时的最大输出电压VOL:输出电平为逻辑”0”时的最小输出电压VIL:仍能维持输出为逻辑”1”的最大输入电压VIH:仍能维持输出为逻辑”0”的最小输入电压VILVIH1oidVdV一、简易TTL与非门TTL逻辑门电路噪声容限反映了门