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TTL與非門的基本結構、工作原理和特性

2020年08月08日 11:56 ? 次閱讀

分立元件門電路雖然結構簡單,但是存在著體積大、工作可靠性差、工作速度慢等許多缺點。1961年美國德克薩斯儀器公司率先將數字電路元器件和連線制作在同一硅片上,制成了集成電路。由于集成電路體積小、質量輕、工作可靠,因而在大多數領域迅速取代了分立元件電路。隨著集成電路制作工藝的發展,集成電路的集成度越來越高。

TTL信號是數字信號.CMOS傳輸門(Transmission Gate)是一種既可以傳送數字信號又可以傳輸模擬信號的可控開關電路。

按照集成度的高低,將集成電路分為小規模集成電路、中規模集成電路、大規模集成電路、超大規模集成電路。根據制造工藝的不同,集成電路又分為雙極型和單極型兩大類。TTL門電路是目前雙極型數字集成電路中用的最多的一種。

TTL門電路中用的最普遍的是與非門電路,下面以TTL與非門為例,介紹TTL電路的基本結構、工作原理和特性。

(1)TTL與非門的基本結構

圖1是TTL與非門的電路結構??梢钥闯?,TTL與非門電路基本結構由3部分構成:輸入級、中間級和輸出級。因為電路的輸入端和輸出端都是三極管結構,所以稱這種結構的電路為三極管---三極管邏輯電路。

TTL與非門的基本結構、工作原理和特性

圖1 TTL與非門電路的基本結構

輸入級:輸入級是一個與門電路結構。T1是多發射極晶體管,可以把它的集電結看成一個二極管,把發射結(三個發射結)看成是與前者背靠背的3個二極管,如圖2所示。由此看出,輸入級就是一個與門電路:Y=A·B·C。

TTL與非門的基本結構、工作原理和特性

(a)多發射極晶體管(b)多發射極晶體管的等效二級管電路

圖2 多發射極晶體管的等效電路

中間級:由三極管T2和電阻RC1、RE2組成。在電路的開通過程中利用T2的放大作用,為輸出管T3提供較大的基極電流,加速了輸出管的導通。所以,中間級的作用是提高輸出管的開通速度,改善電路的性能。

輸出級:由三極管T3、T4、二極管D和電阻RC4組成。如圖3所示,圖3(a)是前面講過的三極管非門電路,圖3(b)是TTL與非門電路中的輸出級。從圖中可以看出,輸出級由三極管T3實現邏輯非的運算。但在輸出級電路中用三極管T4、二極管D和RC4組成的有源負載替代了三極管非門電路中的RC,目的是使輸出級具有較強的負載能力。

TTL與非門的基本結構、工作原理和特性

圖3 晶體管非門電路與TTL與非門輸出級

(2)工作原理

在下面的分析中假設輸入高、低電平分別為3.6V和0.3V,PN結導通壓降為0.7V。

①輸入全為高電平3.6V(邏輯1)

如果不考慮T2的存在,則應有UB1=UA+0.7=4.3V。顯然,在存在T2和T3的情況下,T2和T3的發射結必然同時導通。而一旦T2和T3導通之后,UB1便被鉗在了2.1V(UB1=0.7×3=2.1V),所以T1的發射結反偏,而集電結正偏,稱為倒置放大工作狀態。由于電源通過RB1和T1的集電結向T2提供足夠的基極電位,使T2飽和,T2的發射極電流在RE2上產生的壓降又為T3提供足夠的基極電位,使T3也飽和,所以輸出端的電位為UY=UCES=0.3V, UCES為T3飽和壓降。

可見實現了與非門的邏輯功能之一:輸入全為高電平時,輸出為低電平。

②輸入低電平0.3V(邏輯0)

當輸入端中有一個或幾個為低電平0.3V(邏輯0)時,T1的基極與發射級之間處于正向偏置,該發射結導通,T1的基極電位被鉗位到UB1=0.3+0.7=1V。T2和T3都截止。由于T2截止,由工作電源VCC流過RC2的電流僅為T4的基極電流,這個電流較小,在RC2上產生的壓降也小,可以忽略,所以UB4≈VCC=5v,使T4和D導通,則有:UY=VCC-UBE4-UD=5-0.7-0.7=3.6V。

可見實現了與非門的邏輯功能的另一方面:輸入有低電平時,輸出為高電平。

綜合上述兩種情況,該電路滿足與非的邏輯功能,是一個與非門。

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