TTL反相器的工作原理及传输特性

2011-07-25 22:00:16来源: 互联网
由前面的分析已知,带电阻负载的BJT反相器 ,其动态性能不理想。在保持逻辑功能不变的前提下,可以另外增加若干元器以改善其动态性能 ,如减少由于BJT基区电荷存储效应和负载电容所引起的时延。这需改变反相器输入电路和输出电路的结构 ,以形成TTL反相器的基本电路。下图就是一个TTL反相器的基本电路。

该电路由三部分组成:
  由三极管T1组成电路的输入级;
  由T3、T4和二极管D组成输出级;
  由T2组成的中间级作为输出级的驱动电路,将T2的单端输入信号vI2转换为互补的双端输出信号vI3和vI4,以驱动T3 和T4

1.TTL反相器的工作原理

  这里主要分析TTL反相器的逻辑关系,并估算电路中有关各点的电压,以得到简单的定量概念。
  (1)当输入为高电平,如vI=3.6V时,电源VCC通过Rbl和T1的集电结向T2、T3提供基极电流,使T2、T3饱和,输出为低电平,如 vO=0.2V。此时 VB1=VBC1+VBE2+VBE3=(0.7+0.7+0.7)V=2.1V
  T1的发射结处于反向偏置 ,而集电结处于正向偏置。所以T1处于发射结和集电结倒置使用的放大状态。由于T2和T3饱和,输出 VC3 =0.2V,同时可估算出VC2的值:VC2=VCE2+VB3=(0.2+0.7)V=0.9V
  此时,VB4=VC2=0.9V。作用于T4的发射结和二极管D的串联支路的电压为VC2-Vo=(0.9-0.2)V=0.7V,显然,T4和D均截止,实现了反相器的逻辑关系:输入为高电平时,输出为低电平。
  (2)当输入为低电平且电压为0.2V时,T1的发射结导通,其基极电压等于输入低电压加上发射结正向压降,即:VB1=(0.2+0.7)V=0.9V
  此时VB1作用于T1的集电结和T2、T3的发射结上,所以T2、T3都截止,输出为高电平。
  由于T2截止,VCC通过RC2向T4提供基极电流,致使T4和D导通,其电流流入负载。
  输出电压为vO=Vcc-VBE4-VD=(5-0.7-0.7)V=3.6V
  同样也实现了反相器的逻辑关系:输入为低电平时,输出为高电平。

2.采用输入级以提高工作速度

  当TTL反相器输入电压由高(3.6V)变低(0.2V)的瞬间,VB1 =(0.2+0.7)V=0.9V。但由于T2、T3原来是饱和的 ,它们的基区存储电荷还来不及消散,在此瞬间,T2、T3的发射结仍处于正向偏置,T1的集电极电压为Vc1 =VBE2+VBE3=(0.7+0.7)V=1.4V。
  此时T1的集电结为反向偏置[集电结电压=VB1-VC1=(1-1.4)V=-0.4V],因输入为低电平(0.2V)时,T1的发射结为正向偏置,于是T1工作在放大区。这时产生基极电流iB1,其射极电流流入低电平的输入端。集电极电流的方向是从T2的基极流向T1
集电极,它很快地从T2的基区抽走多余的存储电荷,使T2迅速地脱离饱和而进人截止状态。T2的迅速截止导致T4立刻导通,相当于T3的负载是个很小的电阻,使T3的集电极电流加大,多余的存储电荷迅速从集电极消散而达到截止,从而加速了状态转换。

3.采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力

  由T3、T4和二极管D组成推拉式输出级。其中T4组成电压跟随器,而T3为共射极电路,作为T4的射极负载。这种输出级的优点是,既能提高开关速度,又能提高带负载能力。根据所接负载的不同,输出级的工作情况可归纳如下:
  (1)输出为低电平时,T3处于深度饱和状态 ,反相器的输出电阻就是T3的饱和电阻,这时可驱动较大的电流负载。而且由于T4截止
,所以负载电流就是T3的集电极电流,也就是说T3的集电极电流可以全部用来驱动负载。
  (2)输出为高电平时,T3截止 ,T4组成的电压跟随器的输出电阻很小,所以输出高电平稳定,带负载能力也较强。
  (3)输出端接有负载电容CL时 ,当输出由低电平跳变到高电平的瞬间,T2和T3由饱和转为截止,由于T3的基极电流是经T2放大的电流,所以T2比T3更早脱离饱和,于是T2的集电极电压vC2比T3的集电极电压vC3上升更快。同时由于电容CL两端的电压不能突变,使c2和c3之间的电位差增加,因而使T4在此瞬间基极电流很大,T4集电极与发射极之间呈现低电阻 ,故电源VCC经RC4和T4的饱和电阻对电容CL迅速充电,其时间常数很小,使输出波形上升沿陡直。而当输出电压由高变低后,输出管T3深度饱和,也呈现很低的电阻,已充电的CL通过它很快放电,迅速达到低电平,因而使输出电压波形的上升沿和下降沿都很好。

三、TTL反相器的传输特性

  现在来分析TTL反相器的传输特性。下图为用折线近似的TTL反相器的传输特性曲线。由图可见 ,传输特性由4条线段AB、BC、CD和DE所组成。

  AB段:此时输入电压vI很低,T1的发射结为正向偏置。在稳态情况下,T1饱和致使T2和T3截止,同时T4导通。输出vo=3.6V为高电平。
  当vI增加直至B点 ,T1的发射结仍维持正向偏置并处于饱和状态
。但vB2=vc1增大导致T2的发射结正向偏置 。当T1仍维持在饱和状态时,vB2的值可表示为 vB2=vI+VCES
  为求得B点所对应的vI,可以考虑vB2刚好使T2的发射结正向偏置并开始导电。此时vB2应等于T2、发射结的正向电压VF≈0.6V。但iE2≈0在忽略vRe2。的情况下,于是由上式得:

  BC段:当vI的值大于B点的值时,由T1的集电极供给T2的基极电流
,但T1仍保持为饱和状态 ,这就需要使T1的发射结和集电结均为正向偏置。
  在BC段内,T2对vI的增量作线性放大,其电压增益可表示为

  电压增量上通过T4的电压跟随作用而引至输出端形成输出电压的增量,且在一定范围内,有,所以传输特性BC段的斜率为 。必须注意到在BC段内,Re2上所产生的电压降还不足以使T3的发射结正向偏置,T3仍维持截止状态。
  当Re2上的电压vRe2达到一定的值,能使T3的发射结正偏,并有vBE3=VF=0.7V时,则有

 或

  式中VF=0.7V,表示T3已导通。由于,C点处的输出电压变为

  根据线段BC的斜率为-1.6,对应于C点的vI值可由下述关系求得:

  由此得

  CD段:当vI的值继续增加并超越C点,使T3饱和导通,输出电压迅速下降至v0≈0.2V。D点处的vI(D)值,可以根据T2、T3两发射结电压VF≈0.7V来估算。因此有

  DE段:当vI的值从D点再继续增加时,T1将进人倒置放大状态,保持vO=0.2V。至此,得到了TTL反相器的ABCDE折线型传输特性。

关键字:TTL

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0725/article_11086.html
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