(七)【数电】(门电路)TTL集成门电路

【数电专栏】

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A TTL集成门电路

TTL逻辑门是指输入端和输出端都用双极型三极管的集成电路(称为三 极管——三极管逻辑门)。它的开关速度较快,是目前用得较多的一种集成逻辑门。

A.a 双极型三极管的开关特性

A.a.a 双极型三极管的结构

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A.a.b 双极型三极管的特性曲线

所谓伏安特性曲线是指各极电压与电流之间的关系曲线,是三极管内 部载流子运动的外部表现。从工程应用角度来看,外部特性更为重要。
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输入特性曲线:
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继续增大VCC使VCE=1V以上的多个值,结果发现:之后的所有输入特性几乎都与VCE=1V的特性相同,曲线基本不再变化。
实用中三极管的VCE值一般都超过1V,所以其输入特性通常采用VCE=1V时的曲线。
从特性曲线可看出,双极型三极管的输入特性与二极管的正向特性非常相似。

输出特性曲线:
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输出曲线开始部分很陡,说明IC随VCE的增加而急剧增大。
当VCE增至一定数值时(一般小于1V),输出特性曲线变得平坦,表明IC基本上不再随VCE而变化。

输出特性曲线一般可分为三个区:
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<1>放大区:晶体管工作在放大状态时,发射结正偏,集电结反偏。在放大区,集电极电流与基极电流之间成β倍的数量关系,即晶体管在放大区时具有电流放大作用。


<2>饱和区:当发射结和集电结均为正向偏置时,三极管处于饱和状态。此时集电极电流IC与基极电流IB之间不再成比例关系,IB的变化对IC的影响很小。
此时VCE小于VBE,规定: VCE=VBE时,为临近饱和状态,用VCES(0.3或0.1)表示,此时集电极临近饱和电流是:
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管子临近饱和时,硅管的 V C E V_CE VC​E约为0.3V,锗管约为0.1V, 由于深度饱和时VCE约等于0,晶体管在电路中犹如一个闭合的开关。


<3>截止区
当基极电流IB等于0时,晶体管处于截止状态

A.a.b双极型三极管的基本开关电路

在数字电路中,三极管作为开关元件,主要工作在饱和和截止两种开关状态,放大区只是极短暂的过渡状态。
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A.b TTL集成门电路的结构

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在数字电路中,三极管作为开关元件,主要工作在饱和和截止两种开关状态,放大区只是极短暂的过渡状态。

A.a.a 典型输入级形式

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V I L : 输 入 低 电 平 ; V I H : 输 入 高 电 平 。 V_{IL}:输入低电平;V_{IH}:输入高电平。 VIL​:输入低电平;VIH​:输入高电平。
如果A输入是一个负电压,那么二极管就会导通,控制A点电压,能避免三极管烧坏。
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钳位二极管VD:既抑制输入端可能出现的负极性干扰脉冲,又可以防止输入电压为负时,VT的发射极电流过大,起保护作用。
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A.a.b 典型中间级形式

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A为高电平大于导通电压0.V7时,晶体管处于放大状态, F 2 F_2 F2​电压为(3-0.7=2.3)V。调整 R 2 R_2 R2​使得其处于饱和状态,c-e之间电压为0.1~0.3V,则 F 2 F_2 F2​输入电压为 2.4 2.4 2.4 ~ 2.6 V 2.6V 2.6V。
2.6相对12V为低电平。
F 1 F_1 F1​称为反相输出端; F 2 F_2 F2​称为同相输出端。
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A.a.c 典型输出级形式

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A.b 几种典型的TTL集成门电路

A.b.a TTL反相器电路

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D 2 D_2 D2​:保证 T 5 T_5 T5​导通时, T 4 T_4 T4​截止。
电路分析06:00(钳位)
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D1可以把电位钳位在0.7。
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需要说明几个问题:

  • T2的输出Vc2和Ve2变化方向相反,故称倒向级。

  • 输出级在稳态下,T4和T5总有一个导通一个截止,既能降低功耗又提高了负载能力,称“推拉式”。

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A.b.b TTL集成与非门

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A.b.c TTL集成或非门

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A.b.d TTL集成与或非门

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A.b.e TTL集成异或门

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A.c 集电极开路(OC)门电路原理及特点

open collector(OC)
1、推拉式输出具有阻抗低的优点
2、推拉式输出电路结构的局限性
① 输出电平不可调,不能满足对输出高低电平的需要。
② 负载能力不强,不能满足驱动较大电流,较高电压
的负载要求
③ 输出端不能并联使用。
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在工程实践中,有时需要将几个门的输出端并联使用,以实现与逻辑,称为线与。如果G1、G2两个TTL与非门的输出直接连接起来,当G1输出为高电平,G2为低电平时,从G1的电源Vcc通过G1的T4、D到G2的T5,形成一个低阻通路,产生很大的电流,造成输出既不是高电平也不是低电平;逻辑功能将被破坏,还可能烧坏器件,所以普通的TTL门电路是不能进行线与的。为了满足实际应用中实现线与的要求,专门生产了一种可以进行线与的门电路—集电极开路门电路,简称OC门。

A.c.a OC门电路工作原理

OC门的特点:OC门的输出端是可以并接使用的。(一般TTL与非门电路的输出端是绝对不允许 并接使用的。)
1.与非门(OC门)
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T2,T5bc正偏 T2,T5的Ube<Uon
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OC门输出端可并联使用的原理:

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A.d TTL三态(TS)输出门

三态:0态,1态,高阻态
EN:使能信号
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图片来源:《数字电子技术基础》 国防科技大学

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