TTL反相器的工作原理及傳輸特性

TTL反相器的基本電路

　　由前面的分析已知，帶電阻負(fù)載的BJT反相器 ，其動態(tài)性能不理想。在保持邏輯功能不變的前提下，可以另外增加若干元器以改善其動態(tài)性能 ，如減少由于BJT基區(qū)電荷存儲效應(yīng)和負(fù)載電容所引起的時延。這需改變反相器輸入電路和輸出電路的結(jié)構(gòu) ，以形成TTL反相器的基本電路。下圖就是一個TTL反相器的基本電路。

該電路由三部分組成：
　　由三極管T₁組成電路的輸入級；
　　由T₃、T₄和二極管D組成輸出級；
　　由T2組成的中間級作為輸出級的驅(qū)動電路，將T₂的單端輸入信號v_I2轉(zhuǎn)換為互補(bǔ)的雙端輸出信號v_I3和v_I4，以驅(qū)動T₃ 和T₄。

1.TTL反相器的工作原理

　　這里主要分析TTL反相器的邏輯關(guān)系,并估算電路中有關(guān)各點的電壓，以得到簡單的定量概念。
　　（1）當(dāng)輸入為高電平，如v_I＝3.6V時，電源V_CC通過R_bl和T₁的集電結(jié)向T₂、T₃提供基極電流，使T₂、T₃飽和，輸出為低電平，如 v_O＝0.2V。此時 V_B1＝V_BC1＋V_BE2＋V_BE3＝（0.7＋0.7＋0.7）V＝2.1V
　　T₁的發(fā)射結(jié)處于反向偏置 ，而集電結(jié)處于正向偏置。所以T₁處于發(fā)射結(jié)和集電結(jié)倒置使用的放大狀態(tài)。由于T₂和T₃飽和，輸出 V_C3 ＝0.2V，同時可估算出V_C2的值：V_C2＝V_CE2＋V_B3＝（0.2＋0.7）V＝0.9V
　　此時，V_B4＝V_C2＝0.9V。作用于T₄的發(fā)射結(jié)和二極管D的串聯(lián)支路的電壓為V_C2－V_o＝（0.9－0.2）V＝0.7V，顯然，T₄和D均截止，實現(xiàn)了反相器的邏輯關(guān)系：輸入為高電平時，輸出為低電平。
　?。?）當(dāng)輸入為低電平且電壓為0.2V時，T₁的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，其基極電壓等于輸入低電壓加上發(fā)射結(jié)正向壓降，即：V_B1＝（0.2＋0.7）V＝0.9V
　　此時V_B1作用于T₁的集電結(jié)和T₂、T₃的發(fā)射結(jié)上，所以T₂、T₃都截止，輸出為高電平。
　　由于T₂截止，V_CC通過R_C2向T₄提供基極電流，致使T₄和D導(dǎo)通，其電流流入負(fù)載。
　　輸出電壓為v_O＝V_cc－V_BE4－V_D＝（5－0.7－0.7）V＝3.6V
　　同樣也實現(xiàn)了反相器的邏輯關(guān)系：輸入為低電平時，輸出為高電平。

2.采用輸入級以提高工作速度

　　當(dāng)TTL反相器輸入電壓由高（3.6V)變低（0.2V）的瞬間，V_B1 ＝（0.2＋0.7）V＝0.9V。但由于T₂、T₃原來是飽和的 ，它們的基區(qū)存儲電荷還來不及消散，在此瞬間，T₂、T3的發(fā)射結(jié)仍處于正向偏置，T₁的集電極電壓為V_c1 ＝V_BE2＋V_BE3＝（0.7＋0.7）V＝1.4V。
　　此時T₁的集電結(jié)為反向偏置［集電結(jié)電壓＝V_B1－V_C1＝(1－1.4)V＝-0.4V］，因輸入為低電平（0.2V）時，T₁的發(fā)射結(jié)為正向偏置,于是T₁工作在放大區(qū)。這時產(chǎn)生基極電流i_B1，其射極電流流入低電平的輸入端。集電極電流的方向是從T₂的基極流向T₁的
集電極，它很快地從T₂的基區(qū)抽走多余的存儲電荷，使T₂迅速地脫離飽和而進(jìn)人截止?fàn)顟B(tài)。T₂的迅速截止導(dǎo)致T₄立刻導(dǎo)通，相當(dāng)于T₃的負(fù)載是個很小的電阻，使T₃的集電極電流加大，多余的存儲電荷迅速從集電極消散而達(dá)到截止，從而加速了狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

3.采用推拉式輸出級以提高開關(guān)速度和帶負(fù)載能力

　　由T₃、T₄和二極管D組成推拉式輸出級。其中T₄組成電壓跟隨器，而T₃為共射極電路，作為T₄的射極負(fù)載。這種輸出級的優(yōu)點是，既能提高開關(guān)速度，又能提高帶負(fù)載能力。根據(jù)所接負(fù)載的不同，輸出級的工作情況可歸納如下：
　?。?）輸出為低電平時，T₃處于深度飽和狀態(tài) ，反相器的輸出電阻就是T₃的飽和電阻，這時可驅(qū)動較大的電流負(fù)載。而且由于T₄截止
，所以負(fù)載電流就是T₃的集電極電流，也就是說T₃的集電極電流可以全部用來驅(qū)動負(fù)載。
　?。?）輸出為高電平時，T₃截止 ，T₄組成的電壓跟隨器的輸出電阻很小，所以輸出高電平穩(wěn)定，帶負(fù)載能力也較強(qiáng)。
　?。?）輸出端接有負(fù)載電容C_L時 ，當(dāng)輸出由低電平跳變到高電平的瞬間，T₂和T₃由飽和轉(zhuǎn)為截止，由于T₃的基極電流是經(jīng)T₂放大的電流，所以T₂比T₃更早脫離飽和，于是T₂的集電極電壓v_C2比T₃的集電極電壓v_C3上升更快。同時由于電容C_L兩端的電壓不能突變，使c₂和c₃之間的電位差增加，因而使T₄在此瞬間基極電流很大，T₄集電極與發(fā)射極之間呈現(xiàn)低電阻 ，故電源V_CC經(jīng)R_C4和T₄的飽和電阻對電容C_L迅速充電，其時間常數(shù)很小，使輸出波形上升沿陡直。而當(dāng)輸出電壓由高變低后，輸出管T₃深度飽和，也呈現(xiàn)很低的電阻，已充電的C_L通過它很快放電，迅速達(dá)到低電平，因而使輸出電壓波形的上升沿和下降沿都很好。

三、TTL反相器的傳輸特性

　　現(xiàn)在來分析TTL反相器的傳輸特性。下圖為用折線近似的TTL反相器的傳輸特性曲線。由圖可見 ，傳輸特性由4條線段AB、BC、CD和DE所組成。

　　AB段：此時輸入電壓v_I很低，T₁的發(fā)射結(jié)為正向偏置。在穩(wěn)態(tài)情況下，T₁飽和致使T₂和T₃截止，同時T₄導(dǎo)通。輸出v_o＝3.6V為高電平。
　　當(dāng)v_I增加直至B點 ，T₁的發(fā)射結(jié)仍維持正向偏置并處于飽和狀態(tài)
。但v_B2＝v_c1增大導(dǎo)致T₂的發(fā)射結(jié)正向偏置 。當(dāng)T₁仍維持在飽和狀態(tài)時，v_B2的值可表示為 v_B2＝v_I＋V_CES
　　為求得B點所對應(yīng)的v_I,可以考慮v_B2剛好使T₂的發(fā)射結(jié)正向偏置并開始導(dǎo)電。此時v_B2應(yīng)等于T₂、發(fā)射結(jié)的正向電壓V_F≈0.6V。但i_E2≈0在忽略v_Re2。的情況下，于是由上式得：

　　BC段：當(dāng)v_I的值大于B點的值時，由T₁的集電極供給T₂的基極電流
，但T₁仍保持為飽和狀態(tài) ，這就需要使T₁的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置。
　　在BC段內(nèi)，T₂對v_I的增量作線性放大，其電壓增益可表示為

　　電壓增量上通過T₄的電壓跟隨作用而引至輸出端形成輸出電壓的增量，且在一定范圍內(nèi)，有，所以傳輸特性BC段的斜率為 。必須注意到在BC段內(nèi)，R_e2上所產(chǎn)生的電壓降還不足以使T₃的發(fā)射結(jié)正向偏置，T₃仍維持截止?fàn)顟B(tài)。
　　當(dāng)R_e2上的電壓v_Re2達(dá)到一定的值，能使T₃的發(fā)射結(jié)正偏，并有v_BE3=V_F=0.7V時，則有

　或

　　式中V_F＝0.7V，表示T₃已導(dǎo)通。由于,C點處的輸出電壓變?yōu)?/P>

　　根據(jù)線段BC的斜率為-1.6，對應(yīng)于C點的v_I值可由下述關(guān)系求得：

　　由此得

　　CD段：當(dāng)v_I的值繼續(xù)增加并超越C點，使T₃飽和導(dǎo)通,輸出電壓迅速下降至v₀≈0.2V。D點處的v_I(D)值,可以根據(jù)T₂、T₃兩發(fā)射結(jié)電壓V_F≈0.7V來估算。因此有

　　DE段：當(dāng)v_I的值從D點再繼續(xù)增加時，T₁將進(jìn)人倒置放大狀態(tài),保持v_O＝0.2V。至此，得到了TTL反相器的ABCDE折線型傳輸特性。