TTL逻辑门电路

时间：2023-03-13作者：佚名

1、基本的BJT反相器的动态性能
影响BJT开关速度的原因是BJT存储电荷，电荷的存储和消散需要一定的时间。当考虑负载电容对基本反相器的影响时，电路如图1所示。CL中包含门电路之间的接线电容以及门电路的输入电容。当反相器输出电压vo由低向高过渡时，电路由VCC通过RC对CL充电。反之，当v0由高向低过渡时，CL又将通过BJT放电。由于CL的充、放电过程均需经过一定的时间，因而增加了输出电压v0波形的上升时间和下降时间。特别是CL充电回路的时间常数RcCL较大时，v0上升较慢，即增加了上升时间。这使得反相器的开关速度很慢。

TTL逻辑门电路
图1 带负载电容CL的BJT反相器
2、TTL反相器的基本电路
带电阻负载的BJT反相器，其动态性能不理想。因而，在保持逻辑功能不变的前提下，可以另外加若干元器件以改善其动态性能，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。
图2表示TTL反相器的基本电路，该电路由三部分组成，即BJTT1组成电路的输入级，T3、T4和二极管D组成输出级，以及由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V12转换为互补的双端输出信号。以驱动T3和T4。

TTL逻辑门电路
图2 TTL反相器的基本电路
1. TTL反相器的工作原理
(1)当输入为高电平，如vI=3.6V时，电源VCC通过Rb1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，vo＝0.2V。此时
VB1=VBC1 VBE2 VBE3=(0.7 0.7 0.7)V=2.1V
显然，这时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=VCES2 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，vI=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的集点结和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
显然：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，因输入为低电平时，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β1iB1流入低电平的输入端。集电极电流iC2≈β1iB1的方向是从T2的基极流向T1的集电极，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入截止状态。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
图2采用了由T3、T4组成推拉式输出级。其中T4组成电压跟随器，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。
3、TTL与非门电路
图2所示的基本TTL反相器不难改变成为多输入端的与非门。它的主要特点是在电路的输入端采用了多发射极的BJT。器件中的每一个发射极能各自独立地形成正向偏置的发射结，并可促使BJT进入放大或饱和区。两个或多个发射极可以并联地构成一大面积的组合发射极。
图3(a)说明采用多发射极BJT用作3输入端TTL与非门的输入器件。当任一输入端为低电平时，T1的发射结将正向偏置而导通，T2将截止。结果将导致输出为高电平。只有当全部输入端为高电平时，T1将转入倒置放大状态，T2和T3均饱和，输出为低电平。
图3(b)为3输入端TLL与非门的逻辑符号。