电子技术基础(数字部分_第五版_康华光)华中科大课件第三章第2节

3.2 TTL逻辑门(Transistor—Transistor Logic)3.2.1 BJT的开关特性。

1.BJT的开关作用VCC Rc vOiC VCC /Rc ICS

IBS=VCC/ Rc ICS= VCC/Rc CE= VCES VCES≈0.2VIB5C

IBS=IB4 IB3 IB2 IB1

-VB1 +VB1vI

Rb ib

ic

截止 饱和导通 TO iB=0 VCES

A vCE VCC

BJT的开关条件工作状态 条件 截 止 放 大I CS

饱

和

iB≈0

0 < iB <

iB > I CS

发射结和集 发射结正偏， 发射结和集 偏置情况 电结均为反 集电结反偏 电结均为正偏 偏 工 作 特 点 集电极电 流 iC ≈ 0 ic ≈ iBVCC iC=ICS≈ Rc

且不随iB增加 而增加 VCES ≈ 0.2~0.3 V 很小，约为数 百欧，相当于 开关闭合

管压降

VCEO ≈ VCC

VCE=VCC-iCRc

很大，约为 c、e间等 数百千欧， 效内阻 相当于开关

可变

BJT截止、饱和状态的等效电路

c bb

c

e 截止状态

e 饱和状态

2. BJT的开关时间vI

BJT饱和与截止两种状态的相 互转换需要一定的时间才能完成。 从截止到导通 开通时间ton(=td+tr) 从导通到截止 关闭时间toff(= ts+tf)

VIH O iC t

ICS 0.9IC 0.1IC S OS

tr td

ts tf

t

vO VCC O

t

开关时间产生的原因P区 势垒区 N区

从截止到导通+ -

开通时间ton(=td+tr) ----建立基区电荷时间。 从导通到截止

P 区的电子 浓度分布

N 区的空穴 浓度分布

关闭时间toff(= ts+tf) --存储电荷消散的时间.

问题：如何提高BJT开关速度?vI

提高BJT开关速度的关键是 加快基区电荷建立时间和存

VIH O iC ICS 0.9IC 0.1IC S OS

t

储电荷消散的时间.

tr td

ts tf

t

vO VCC O

t

3.2.2基本BJT反相器的动态性能TTL反相器的产生BJT 管子基区内电荷的存入和RC VCC

消散需要一定的时间，因此开 关速度受到限制。若带电容负载

1

RB

0CL

CL的充、放电过程均需经历一定的时间，必然会增加输出电压

O波形的上升时间和下降时间，导致基本的BJT反相器的开关速度不高。故需设计有较快开关速度的实用型TTL门电路。

3.2.3 TTL反相器的基本电路输出级

1.

电路组成VCC (5V) R b1 4k W Rc 2 1.6k W Rc 4 130 W

输入级T1和电阻构 T3、D、T4和Rc4 Rb1组成。用于提 中间级T2和电阻 成推拉式的输出级。 高电路的开关速度 R 、R 组成，从 用于提高开关速度c2 e2

T4T1 + vI – T3 R e2 1K W 负载 T2

D+ vO –

T2的集电结和发射 和带负载能力。 极同时输出两个相

位相反的信号，作为T3和T4输出级的 驱动信号；

输入级

中间级

输出级

2.)TTL反相器的工作原理(逻辑关系、性能改善) 设： (1)当输入为低电平( I = 0.2 V)VCC(5V) Rb1 4kW Rc2 1.6kW VB4 T2 T4 D + T3 Re2 1KW 负载 vO – Rc4 130W

电源电压

VCC = 5V

输入高电平VIH = 3.4V输入低电平VIL = 0.2V 开启电压

T1 导通

VON = 0.7V

0.9VVB1

0.2V+ vI –

T1

T2 、 T3截止，

T4 、D导通

vO = v B4 - v BE4 - v D = (5 - 0.7 - 0.

7 ) V = 3.6 V T输出 高电平

输入 低电平

T1 导通

T2 截止

T3 D4 截止 导通

4

导通

(2)当输入为高电平( I = 3.6 V)VCC(5V) Rb1 4kW Rc2 1.6kW Rc4 130W T4 截止 T2

逻辑真值表 输入A 0 1 输出L 1 0

2.1V 4.3VVB1

1V 饱和 0.7VT3 Re2 1KW D

+ vI –

3.6V T1 1.4V 倒置放大

0.2V+ vO –

饱和负载

逻辑表达式 L = A

输入 低电平 高电平

T1 饱和 倒置工 作

T2 截止 饱和

T3 截止 饱和

D4 导通 截止

T4

导通 截止

输出 高电平 低电平

(3. )采用输入级以提高工作速度 当TTL反相器 I由3.6V变0.2V的瞬间 T2、T3管的状态变化滞后 于T1管，仍处于导通状态。 T1管Je正偏、Jc反偏， T1工作在放大状态。 T1管射极电流(1+ 1 ) iB1很快地从T2的基区抽+ vI – T3 Re2 1KW 负载 Rb1 4kW Rc2 1.6kW T4 T2 D + – Rc4 130W VCC(5V)

0.9V 0.2V

VB1

T1

1.4V

vO

走多余的存储电荷,从而加速了输出由低电平到 高电平的转换。

(4.)采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力 a)带负载能力VCC(5V)

当 O=0.2V时 当输出为低电平时，T4截止， T3饱和导通，其饱和电流全 部用来驱动负载+ vI –

Rb1 4kW

Rc2 1.6kW T4 T2

Rc4 130W

2.1VVB1

3.6V T 1 1.4V

D

0.2V+

T3 Re2 1KW

负载

vO –

当 O=3.6V时

T3截止，T4组成的电压跟随器的 输出电阻很小，输出高电平稳 定，带负载能力也较强。b)输出级对提高开关速度的作用 输出端接负载电容CL时，0.2VT1 + vI –

VCC(5V) Rb1 4kW Rc2 1.6kW T4 T2 D Rc4 130W

0.9VVB1

3.6V+ 负载 vO –

O由低到高电平跳变的瞬间，CL充电，其时间常数很小使输 出波形上升沿陡直。而当 O由 高变低后， CL很快放电，输出 波形的下降沿也很好。

T3 Re2 1KW

CL

3.2.4 TTL逻辑门电路1. )TTL与非门电路 多发射极BJTb b c cRb2 1.6kW Rc2 1.6kW VCC(5V) Rc4 130W T4 T1

ee

T1

eA T2 D

e

B

A B

T3

&L= A B

Re2 1kW

2)TTL与非门电路的工作原理VCC

当全部输入端为高电平时：Rb1 Rc2

Rc4 T4

输出低电平任一输入端为低电平时: 输出高电平

0.9V 2.1 0.2V 3.6 3.6 3.6VRe2 A B T1 T2

3.6V D 0.2L T3

TTL与非门各级工作状态

I 输入有低电 输入全为高 平 (0.2V) 电平 (3.6V)

T1 深饱和 倒置使用的放 大状态

T2 截止 饱和

T4 放大 截止

T5

O

截止 高电平 饱和 低电平 (3.6V) (0.2V)

2. TTL或非门若二输入端均为低电平VCC R1A R1 R1B R4 T4

0.9vA T1A

0.9 vT2A T2B T1B B D L T3 R3

0.2v

0.2 v

3.6V