TTL反相器的基本電路

2021-01-19 暢學電子

帶電阻負載的BJT反相器，其動態性能不理想。因而，在保持邏輯功能不變的前提下，可以另外加若干元器件以改善其動態性能，如減少由於BJT基區電荷存儲效應和負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構，以形成TTL反相器的基本電路。

圖2表示TTL反相器的基本電路，該電路由三部分組成，即BJTT1組成電路的輸入級，T3、T4和二極體D組成輸出級，以及由T2組成的中間級作為輸出級的驅動電路，將T2的單端輸入信號V12轉換為互補的雙端輸出信號。以驅動T3和T4。

圖2 TTL反相器的基本電路

1.TTL反相器的工作原理

（1）當輸入為高電平，如vI=3.6V時，電源VCC通過Rb1和T1的集電結向T2、T3提供基極電流，使T2、T3飽和，輸出為低電平，vo＝0.2V。此時

VB1=VBC1+VBE2+VBE3=（0.7+0.7+0.7）V=2.1V

顯然，這時T1的發射結處於反向偏置，而集電結處於正向偏置。所以T1處於發射結和集電結倒置使用的放大狀態。由於T2和T3飽和，輸出VC3=0.2V，同時可估算出VC2的值：

VC2=VCES2+VB3=（0.2+0.7）V=0.9V

此時，VB4=VC2=0.9V。作用於T4的發射結和二極體D的串聯支路的電壓為VC2-VO=（0.9-0.2）V=0.7V，顯然，T4和D均截止，實現了反相器的邏輯關係：輸入為高電平時，輸出為低電平。

（2）當輸入為低電平，vI=0.2V時，T1的發射結導通，其基極電壓等於輸入低電壓加上發射結正向壓降，即

VB1=（0.2+0.7）V=0.9V

此時VB1作用於T1的集點結和T2、T3的發射結上，所以T2、T3都截止，輸出為高電平。

由於T2截止，VCC通過RC2向T4提供基極電流，致使T4和D導通，其電流流入負載。輸出電壓為

vO≈VCC-VBE4-VD=（5-0.7-0.7）V=3.6V

顯然：輸入為低電平時，輸出為高電平。

2.採用輸入級以提高工作速度

當TTL反相器輸入電壓由高（3.6V）變低（0.2V）的瞬間，VB1＝（0.2+0.7）V＝0.9V。但由於T2、T3原來是飽和的，它們的基區存儲電荷還來不及消散，在此瞬間，T2、T3的發射結仍處於正向偏置，T1的集電極電壓為

VC1=VBE2+VBE3=（0.7+0.7）V=1.4V

此時，T1的集電結為反向偏置，因輸入為低電平時，T1的發射結為正向偏置，於是T1工作在放大區，這時產生基極電流iB1，其射極電流β1iB1流入低電平的輸入端。集電極電流iC2≈β1iB1的方向是從T2的基極流向T1的集電極，它很快地從T2的基區抽走多餘的存儲電荷，使T2迅速地脫離飽和而進入截止狀態。T2的迅速截止導致T4立刻導通，相當於T3的負載是個很小的電阻，使T3的集電極電流加大，多餘的存儲電荷迅速從集電極消散而達到截止，從而加速了狀態轉換。

3.採用推拉式輸出級以提高開關速度和帶負載能力

圖2採用了由T3、T4組成推拉式輸出級。其中T4組成電壓跟隨器，T3為共射極電路，作為T4的射極負載。這種輸出級的優點是，既能提高開關速度，又能提高帶負載能力。

TTL反相器的基本電路（一） TTL與非門電路

圖2所示的基本TTL反相器不難改變成為多輸入端的與非門。它的主要特點是在電路的輸入端採用了多發射極的BJT。器件中的每一個發射極能各自獨立地形成正向偏置的發射結，並可促使BJT進入放大或飽和區。兩個或多個發射極可以並聯地構成一大面積的組合發射極。

圖3（a）說明採用多發射極BJT用作3輸入端TTL與非門的輸入器件。當任一輸入端為低電平時，T1的發射結將正向偏置而導通，T2將截止。結果將導致輸出為高電平。只有當全部輸入端為高電平時，T1將轉入倒置放大狀態，T2和T3均飽和，輸出為低電平。

圖3（b）為3輸入端TLL與非門的邏輯符號。

圖3 具有多發射級BJT的3輸入端與非門電路（a）電路圖（b）邏輯符號

TTL反相器的基本電路（二）

帶電阻負載的BJT反相器，其動態性能不理想。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性能，如減少由於BJT基區電荷存儲效應和負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構，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：

由三極體T1組成電路的輸入級；

由T3、T4和二極體D組成輸出級；

由T2組成的中間級作為輸出級的驅動電路，將T2的單端輸入信號vI2轉換為互補的雙端輸出信號vI3和vI4，以驅動T3和T4。

TTL反相器的基本電路（三） usb轉ttl電路圖

TTL反相器的基本電路（四）

為解決目前市場上銷售的LED彩燈控制器閃爍頻率不可調或不容易調的問題，設計出一種基於TTL電路的LED可調彩燈控制器，電路採用計數器和按鈕開關作為手動檔位控制，共有10檔可調；配上解碼器和數碼管實現檔位自動監測顯示；由時間振蕩電路和16通道多路復用器HCC4067BF組成可調定時器，可產生10組時鐘振蕩脈衝送入觸發器DM74LS74AN；再由雙D觸發器74LS74作為分頻器控制彩燈閃爍頻率；通過實際組裝電路調試，電路順利實現了10個檔位手動控制，通過改變LED彩燈閃爍頻率，提高了LED彩燈控制性能和閃爍效果。

LED彩燈控制器的基本結構如圖1所示，主要由檔位控制器、可調定時器、檔位顯示、分頻器、彩燈電路等組成，檔位控制器設有按鈕開關，共有0～9檔可供選擇，且可不斷循環；檔位顯示電路由數據選擇器SN74LS247N和七段LED數碼管組成，能監控、顯示按鈕開關動作；可調定時器選用多諧振蕩器實現，可提供10組定時控制，分頻器採用雙D觸發器74L574，進行二分頻和四分頻；彩燈電路選擇不同顏色發光二極組合。

整個電路主要由檔位控制、定時、檔位顯示、分頻、彩燈等電路組成，電路設計如圖所示。

TTL反相器的基本電路（五）

TTL門電路工作速度相對於MOS較快，但由於當輸出為低電平時T5工作在深度飽和狀態，當輸出由低轉為高電平，由於在基區和集電區有存儲電荷不能馬上消散，而影響工作速度。

改進型TTL與非門可能工作在飽和狀態下的電晶體T1、T2、T3、T5都用帶有肖特基勢壘二極體（SBD）的三極體代替，以限制其飽和深度，提高工作速度改進型TTL與非門增加有源洩放電路。

TTL反相器的基本電路（六）

圖1 TTL反相器組成的施密特觸發器及其邏輯符號

若圖1電路中，TTL反相器可用CD4069，其引腳圖如圖2。

TTL反相器的閾值電壓Vth≈VDD/2，R1R2，且輸入信號vI為三角波，電路的參數如下：施密特觸發器在輸入信號正向增加時的閾值電壓，稱為正向閾值電壓，用VT+表示。

得回差電壓為△VT=VT+-VT-≈2（R1/R2）Vth

上式表明，回差電壓的大小可以改變R1、R2的比值來調節。電路工作波形及傳輸特性如圖3所示。

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