TTL與BJT的基礎(chǔ)知識(shí)

教科書(shū)上面在講述TTL工作原理時(shí)候，運(yùn)用到了BJT雙極性三極管的基礎(chǔ)知識(shí)，比如：倒置，鉗位，深飽和，飽和壓降。這些基礎(chǔ)知識(shí)在教材上并沒(méi)有特別明晰的說(shuō)明。這里對(duì)此做了一些自己的思考和整理，歡迎指正。

TTL工作原理

一般來(lái)說(shuō)，下面推導(dǎo)成立的條件是，電路中的電阻需要選擇合適的值。

當(dāng)ABC有一個(gè)為低電平時(shí)候

假設(shè)B輸入為0.3V，推導(dǎo)過(guò)程如下1-8：

1. 輸入0.3V，其中T1一個(gè)發(fā)射極導(dǎo)通
2. T1基極鉗位在1.0V
3. T1處于深飽和(Uces=0)，集電極電壓為0.3V
4. T2截止(0.3V不足以支撐T2/T5導(dǎo)通)，T2基極電流很小
5. T5截止
6. T2截止，T2集電極電流很小，相當(dāng)于斷開(kāi)。T3基極電壓5V
7. T3基極到發(fā)射極導(dǎo)通，壓降0.7V，T4基極電壓4.7V
8. T4基極到發(fā)射極導(dǎo)通，壓降0.7V，T4發(fā)射極電壓3.6V，輸出3.6V

當(dāng)ABC全部為高的時(shí)候

當(dāng)ABC輸入都為高電平3.6V的時(shí)候，推導(dǎo)過(guò)程如下1-8：

1. T1發(fā)射極輸入3.6V，而T1基極最大電壓2.1V
   1. 如果大于2.1V，T2/T5會(huì)導(dǎo)通，這樣反推回來(lái)，T1會(huì)被鉗位在2.1V
   2. 參考下面3/4/5/6步
2. T1工作在倒置狀態(tài)
3. T5導(dǎo)通，基極電壓0.7V
4. T2導(dǎo)通，基極電壓1.4V
5. T1基極電壓鉗位在2.1V，T1倒置
6. T2飽和狀態(tài)，飽和壓降0.3V，T3基極電壓1.0V
7. T3飽和狀態(tài)，發(fā)射極電壓0.3V
8. T4截至，對(duì)輸出不起作用，輸出Y等于T5發(fā)射極電壓，即飽和壓降0.3V

BJT的倒置狀態(tài)

教科書(shū)上說(shuō)：BJT的發(fā)射極與集電極不能交換使用，這是因?yàn)锽JT并非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

正常工作在放大狀態(tài)的時(shí)候，發(fā)射極導(dǎo)通，集電極反偏，因?yàn)榘l(fā)射極摻雜濃度高，大量高濃度電子擴(kuò)散到基極，集電極反偏后，PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)加大，而基區(qū)很薄，里面大量電子將很容易在電場(chǎng)吸引力下漂移到集電極，形成較大的集電極電流：

倒置時(shí)基極到集電極正常導(dǎo)通，由于三極管集電區(qū)摻雜濃度不高，擴(kuò)散的基區(qū)自由電子少，同時(shí)由于發(fā)射極面積小，最終發(fā)射極反偏電場(chǎng)只會(huì)收集很少量的從基區(qū)漂移過(guò)來(lái)的自由電子，形成的電流很小，處于截至狀態(tài)。

這里并沒(méi)有放大能力，集電極電流應(yīng)該約等于基極電流。這種情況就當(dāng)作普通兩個(gè)二極管如下連接：

三極管基極鉗位電壓

上面分析TTL的時(shí)候，鉗位的概念就是說(shuō)這個(gè)基極到發(fā)射極壓降UBE是固定值0.7V。在教材里面，會(huì)有BJT的輸入特性曲線，這里看到，UBE可以在在一定范圍內(nèi)：

這個(gè)特性曲線里面并沒(méi)有標(biāo)出具體的數(shù)值，下面的一個(gè)圖是通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫(huà)出的曲線，可以看到導(dǎo)通電壓雖然在一定范圍，但是這個(gè)范圍變化很小，所以在上面分析的時(shí)候采用了固定的值，這也是PN結(jié)本身的物理特性：

在BJT的大信號(hào)特性方程——EbersMoll方程里面：

可以看到是集電極電流是UBE的函數(shù)，那么我們一會(huì)把UBE鉗位在0.7V，一會(huì)又要求它是一個(gè)函數(shù)的輸入變量，這里還是要對(duì)使用場(chǎng)合加以思考和區(qū)分。

另外雖然上面的方程是UBE作為變量，但是在BJT的輸出特性曲線里面，我們看到的往往是IB作為變量，可能主要還是說(shuō)明BJT是一個(gè)“電流控制元件吧”，但本質(zhì)還是UBE的改動(dòng)引起IB的改動(dòng)。

BJT的飽和狀態(tài)

飽和的意思是基極電流的增加不再引起集電極電流的增加(飽和了，到頭了)，或者說(shuō)IC不再受IB的控制，或者說(shuō)放大不起作用了。

這一層的意思是IB增加到一個(gè)值，就進(jìn)入飽和狀態(tài)。而從輸出特性曲線來(lái)看，是UCE減少到一個(gè)值，就進(jìn)入飽和狀態(tài)。

飽和是BJT的物理狀態(tài)，上面的兩種表述應(yīng)該是相關(guān)的，看出來(lái)好像是IB增加到一個(gè)值的時(shí)候，UCE也減少到一個(gè)值。

可以用下面的圖來(lái)進(jìn)一步理解：

可以看到UCE應(yīng)該是IB的減函數(shù)，另外還能看到，飽和區(qū)是和負(fù)載相關(guān)的，負(fù)載越大，進(jìn)入飽和區(qū)越快，因?yàn)閁CE減小越快。注意在飽和區(qū)放大系數(shù)不成立了，從而也不能用圖里面的公式計(jì)算UCE了。

結(jié)合特性曲線，如下面箭頭所示?？梢圆聹y(cè)，從放大到飽和，伴隨著IB增大，UCE減少，然后iC剛開(kāi)始還是增大的，當(dāng)進(jìn)入飽和區(qū)后，iC不再增長(zhǎng)，甚至?xí)p少。

從載流子的分析來(lái)看，因?yàn)镮B增大，發(fā)射極更多的自由電子進(jìn)入基極，但是UCE減少后，PN結(jié)電場(chǎng)強(qiáng)度減弱，吸引基極自由電子漂移能力減弱，從而集電極電流不會(huì)一直增加，會(huì)到一個(gè)飽和狀態(tài)。

在上面電路中，IB可以通過(guò)調(diào)節(jié)Rb或VBB改變。我們可以調(diào)節(jié)使得VT從飽和區(qū)進(jìn)到放大區(qū)，或者從放大區(qū)進(jìn)到飽和區(qū)。從放大區(qū)進(jìn)到飽和區(qū)符合上面飽和的本來(lái)意思，即不能繼續(xù)放大。

比如我們通過(guò)調(diào)節(jié)讓UCE逐漸變?。呵闆r1->4，這對(duì)應(yīng)到輸出特性曲線從右往左：

這個(gè)里面，1是集電極反偏，仍然對(duì)IB電流放大，在進(jìn)到2的時(shí)候，集電極剛好正偏，開(kāi)始進(jìn)入飽和區(qū)，屬于臨界區(qū)，3是處于飽和區(qū)。3的情況再進(jìn)一步增大IB，就進(jìn)入深度飽和，比如4的情況，這個(gè)時(shí)候Ic也急劇下降。

當(dāng)集電結(jié)剛正偏時(shí)，iC并未立刻明顯下降，而是當(dāng)集電結(jié)正偏電壓達(dá)到一定值（對(duì)于小功率管，該值約為0.3 V）時(shí)，iC才明顯下降。此時(shí)，各條輸出特性曲線近似重合在一起。UCES代表飽和區(qū)的壓降，稱為飽和壓降。在TTL分析中用到的一個(gè)值，取為0.3V。

在大信號(hào)分析中，飽和狀態(tài)直接短路連接了，因?yàn)?.3/0.7的壓降忽略不計(jì)。注意區(qū)別：