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1、1,第三节 TTL门电路,TTL反相器的电路结构和工作原理,TTL反相器的静态输入、输出特性,TTL反相器的动态特性,其他类型的TTL门电路,TTL门电路的改进系列,半导体三极管的开关特性,下页,总目录,推出,2,下页,返回,上页,vBE VON 时三极管导通vBE VON 时三极管截止,1.三极管的输入特性,实际特性,理想特性,一、半导体三极管的开关特性,3,下页,返回,上页,饱和区：UCE很小深度饱和时在0.3V以下,2.三极管的输出特性,放大区,截止区：iC几乎为零ICEO通常在1A以下,放大区：iC随iB成正比地变化几乎不受vCE变化的影响,4,下页,返回,上页,若参数选择合理三极管截
2、止时相当于开关断开，输出高电平；三极管导通时相当于开关闭合，输出低电平。,3.三极管的基本开关电路,5,下页,返回,上页,4.三极管的开关等效电路,相当于开关断开。,相当于开关闭和。,6,下页,返回,上页,T深度饱和,T截止,逻辑符号,为保证在输入低电平时,三极管可靠截止，接入了电阻R2和负电源VEE。,5.三极管反相器,7,下页,返回,上页,例3.3.1:下图所示反相器中，VCC=5V，VEE=-8V，RC=1k，R1=3.3k，R2=10k，三极管的=20，饱和压降UCES=0.1V，VIH=5V，VIL=0V，（1）计算输入高、低电平时对应的输出电平；（2）说明电路参数的设计是否合理。,
3、8,下页,返回,上页,解：,三极管非门电路的化简,9,下页,返回,上页,加在发射结上的是反向电压，三极管截止。,10,返回,上页,三极管处于深度饱和状态。,可知电路参数设计合理,11,设：电源电压 VCC=5V输入高电平VIH=3.4V输入低电平VIL=0.2V开启电压 VON=0.7V,1.电路结构,起保护作用,反相器是TTL电路中电路结构最简单的一种。因电路输入端和输出端均为三极管结构，所以称为三极管-三极管逻辑电路，简称TTL电路。,下页,上页,返回,二、TTL反相吕的电路结构和工作原理,12,下页,返回,上页,vI=VIL=0.2V时,vB1=VIL+VON=0.9V,T2、T5截止,
4、T4、D2导通,输出为高电平。,工作原理,T1工作在深度饱和状态，,13,下页,返回,上页,vI=VIH=3.4V时,vB1=VIH+VON=4.1V,T2、T5导通，vB1被钳位在2.1V，,T4、D2截止，T5饱和，输出为低电平。,输入输出之间是反相关系，即,14,AB段:截止区，T2、T5截止，T4导通。,BC段：线性区，T2导通、T5截止。,CD段：转折区，T2、T5同时导通。,DE段:饱和区,vi 继续升高时 vo 不再变化。,VTH称为阈值电压或门槛电压，约1.4V。,2.电压传输特性,下页,上页,返回,15,下页,上页,3.输入躁声容限,定义：在保证输出高、低电平基本不变（或者说
5、变化的大小不超过允许限度）的条件下，输入电平的允许波动范围，称为输入噪声容限。,返回,16,下页,上页,输入为高电平时的噪声容限为：,输入为低电平时的噪声容限为：,返回,17,下页,上页,74系列门电路的标准参数为,可得,返回,18,下页,上页,输入低电平电流为：,三、TTL反相器的静态输入、输出特性,T1处于倒置状态,1.输入特性,返回,19,TTL反相器的输入特性曲线,下页,上页,返回,20,拉电流负载,受功耗的限制，74系列规定iL不能超过0.4mA。,2.输出特性,(1)高电平输出特性,下页,上页,返回,21,下页,上页,（2）低电平输出特性,带灌电流负载能力IOL可达16mA。,灌电
6、流负载,返回,22,下页,上页,例3.3.2 计算门G1最多可驱动多少个同样的门电路负载。,G1最多可驱动10个同样的门电路负载，这个数值叫做门电路的扇出系数。,解：,返回,23,若RP较小，相当于输入一个低电平信号。若RP较大，相当于输入一个高电平信号。,3.输入端负载特性,下页,上页,返回,24,下页,上页,例3.3.3 为保证门G1输出的高、低电平能正确地传送到门G2的输入端，要求vo1=VOH时vI2VIH(min),vO1=VOL时vI2 VIL(max)，试计算Rp的最大允许值是多少。已知G1、G2均为74系列反相器。,解：vo1=VOH，vI2VIH(min)时,返回,例的电路,
7、Rp,25,下页,上页,vO1=VOL，Vi2 VIL(max)时,应取,返回,26,下页,上页,四、TTL反相器的动态特性,返回,1.传输延迟时间在TTL 电路中，由于二极管和三极管从导通变为截止或从截止变为导通都需要一定的时间，且有二极管、三极管以及电阻、连接线等的寄生电容存在，所以把理想的矩形电压信号加到TTL反相器的输入端时，输出电压的波形不仅要比输入信号滞后，而且波形的上升沿和下降沿也将变坏。把输出电压波形滞后于输入电压波形的时间，叫做传输延迟时间。通过实验方法测定传输延迟时间的数值。,27,下页,上页,2.交流噪声容限,将输出高电平降至2.0V时输入正脉冲的幅度，定义为正脉冲噪声容
8、限。将输出低电平上升至0.8V时输入负脉冲的幅度，定义为负脉冲噪声容限。当输入脉冲的宽度达到微秒数量级时，应将输入信号按直流信号处理。,返回,28,下页,上页,3.电源的动态尖峰电流,输出由低电平突然转变为高电平的过渡过程中，出现短时间内T4和T5同时导通的状态，有很大的瞬时电流流经T4和T5，使电源电流出现尖峰脉冲。,返回,29,下页,上页,1.增加了电源的平均电流。计算系统电源容量时需注意。2.系统中有许多门电路同时转换工作状态时，形成一个系统内部的噪声源。系统设计时应将噪声抑制在允许的限度内。,尖峰电流带来的影响：,返回,30,下页,上页,五、其他类型的TTL门电路,（1）与非门,1.其
9、他逻辑功能的门电路,返回,多发射极三极管可看作两个发射极独立而基极和集电极分别并联在一起的三极管。,把两个输入端并联使用时，低电平输入电流和反相器相同。输入接高电平时，输入端分别为两倒置三极管的等效集电极，总的输入电流为单个输入端的高电平输入电流的两倍。,31,下页,上页,（2）或非门,返回,32,下页,上页,（3）与-或非门,返回,33,下页,上页,（4）异或门,返回,34,推拉式输出电路结构使用时有一定的局限性：,a)不能把它们的输出端并联使用。,b)在采用推拉式输出级的门电路中，电源一经确定，输出的高电平也就固定了，因而无法满足对不同输出高低电平的需要。,c)推拉式电路结构也不能满足驱动
10、较大电流、较高电压的负载的要求。,2.集电极开路的门电路（OC门）,下页,上页,返回,35,下页,上页,为克服上述局限性，输出级改为集电极开路的三极管结构。,工作时需外接负载电阻和电源,返回,36,下页,上页,线与,OC门输出并联的接法及逻辑图,返回,37,所有OC门同时截止时，输出为高电平。,为保证高电平不低于规定的VOH值，RL取值应满足：,外接负载电阻RL的计算,下页,上页,返回,38,当OC门中只有一个导通时，负载电流全部都流入那个导通的OC门，RL值不可能太小，以确保流入导通OC门的电流不至超过最大的负载电流ILM。,下页,上页,返回,39,下页,上页,例3.3.4 为电阻RL选定合
11、适的阻值。G1、G2为OC门，IOH=200A，ILM=16mAG3、G4 和G5为74系列，IIL=200mA，IIH=40A要求OC门输出的VOH 3.0V，VOL 0.4V。,返回,n,40,下页,上页,选定的 RL值应在2.63k 与0.35 k 之间。,解：,返回,41,下页,上页,（1）控制端高电平有效,3.三态输出门电路（TS）门,EN=1时,EN=0时，输出呈高阻态。,控制端,返回,42,下页,上页,EN=0时,EN=1时，输出呈高阻态。,（2）控制端低电平有效,返回,43,下页,上页,返回,六、TTL电路的改进系列,1.74H系列,74H系列又称高速系列。,为了提高电路的开关
12、速度，减小传输延迟时间，电路采取了两项改进措施。,一是在输出级采用了达林顿结构，二是将所有电阻的阻值普遍降低了一倍。减小电阻阻值带来的不利影响是增加了电路的静态功耗。,44,下页,上页,返回,2.74S系列,74S系列又称肖特基系列。在74S系列的门电路中，采用了抗饱和三极管（或称为肖特基三极管）。,抗饱和三极管是由普通的双极型三极管和肖特基势垒二极管组合而成的。,肖特基二极管是由金属和半导体接触而形成的。,45,下页,上页,返回,电路结构的另一个特点是:为T5管提供了一个有源泄放电路，减少了T5的基极电流，也就减轻了T5的饱和程度，有利于加快T5从导通变为截止的过程。有源泄放回路的存在缩短了
13、门电路的传输延迟时间。还改善了门电路的电压传输特性。电路的缺点：电路的功耗加大了。输出低电平升高了。,46,下页,上页,返回,3.74LS系列,性能比较理想的门电路应该工作速度既快，功耗又小。只有用传输延迟时间和功耗的乘积（延迟-功耗积），才能全面评价门电路性能的优劣。延迟-功耗积越小，电路的综合性能越好。为了得到更小的延迟-功耗积，在兼顾功耗与速度两方面的基础上，进一步开发了74LS系列（称为低功耗肖特基系列）。,47,下页,上页,返回,4.74AS和74ALS系列,74AS系列是为了进一步缩短传输延迟时间。它的电路结构和74LS系列相似，但是电路中采用了很低的电阻阻值，从而提高了工作速度，但功耗较大。74ALS系列是为了获得更小的延迟-功耗积，它的延迟-功耗积是TTL电路所有系列中最小的。,48,返回,5.54、54H、54S、54LS系列,54系列的TTL电路和74系列电路，具有完全相同的电路结构和电器性能参数。所不同的是54系列比74系列的工作温度范围更宽，电源允许的工作范围也更大。74系列的工作环境温度规定为070，电源电压工作范围为5V 5%；54系列的工作环境温度为-55+125，电源电压工作范围为5V10%。,下页,上页,
