TTL反相器原理
第三章 门电路 - 第二部分
负载 高电平输出等效电路
47
电子工程学院
TTL反相器的静态输出特性
1. 高电平输出特性
T4、D2导通，T2、T5截止。电流流出门(拉电流) •空载时：vO= vOH ≈ 5-2×0.7=3.6V •加上负载RL时： 当RL较大，iL< 5mA时，由于是射极跟随器输出， 内阻低，输出电平随输出电流iL的变化不大，基 本保持为VOH 。 随着RL的减小，iL增大，R4上的压降也随之增大， 最终使T4的集电结变为正偏，T4进入饱和状态， 失去射极跟随功能，输出vO随iL绝对值的增加而 几乎线性地降低。 受功耗限制，实际器件高电平输出时iL的最大值 比5mA小得多，74系列手册上规定iL不能超过 0.4mA。
I A + I B = 2 I IH ≤
2. 或非门
或非门的输入端和输出 端电路与反相器相同， 所以输入特性和输出特 性也和反相器一样。
A
A+B
—
A+B
A+B
—
B
输入特性：当输入为高或低电平时，总电流均等于各输入端电流之和。 与输入端个数有关。
动态电流
当输出从低电平转换为高电平的过程中，T4从截止变为导通，T5从深 度饱和变为截止， T5转换所需的时间比T4长，因此在过渡过程中会出 现短时间内T4和T5同时导通的状态，此时有很大的瞬时电流流过T4和 T5 ，使电源电流出现尖峰脉冲。
尖峰电流的影响：使电源电流平均值加大了。 在计算电源容量时应考虑尖峰电流的影响。应 采取措施抑制尖峰电流导致的系统内部噪声。
输入特性：输入电流与输入电压之间的关系，即iI = f(vI)
电流为正
iI
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电子工程学院
TTL反相器的静态输入特性
补充——TTL逻辑门
D 3.6V
T3
Re2 1KW
+
C 负载 vO
L
–
2.4.2 TTL逻辑门电路
1. ）TTL与非门电路
多发射极BJT
b
b
e
T1
ce
e
e
c
A B
Rb2 1.6kW
Rc2 1.6kW
T1
T2
A
&
Re2
B
L= A B 1kW
VCC(5V) Rc4 130W
T4
D
T3
2）TTL与非门电路的工作原理
• 当全部输入端为高电平时：
a)带负载能力
当O=0.2V时
当输出为低电平时，T4截止， T3饱和导通，其饱和电流全 部用来驱动负载
VCC(5V)
Rb1
Rc2
Rc4
4kW
1.6kW
130W
3.6V
+ vI –
2.1V
VB1
T1
T2
1.4V
Re2 1KW
T4
D
0.2V
+
T3
负载 vO
–
当O=3.6V时
T3截止，T4组成的电压跟随器的 输出电阻很小，输出高电平稳
RRb1b1
RRc2c2
VCVCCC
VCC
Rc4
T4
AA
TT1 1
TT2 2
BB
D LL
TT3 3
RRe2e2
A
&
C） 逻辑功能
B
L=AB
OC门输出端连接实现线与
VDD
RP
A&L B
L = AB CD
ttl反相器空载时的输出电压
ttl反相器空载时的输出电压
本文主要探讨TTL反相器在空载时的输出电压情况。
在实际应用过程中，我们通常会将反相器连接到后续的电路中，以实现信号的传输和转换。
在这种情况下，输入信号的变化会引起反相器输出电平的改变，从而影响后续电路的工作。
然而，当反相器处于空载状态时，即没有连接到任何电路中时，输出电压会处于一个稳定的值。
这个值通常被认为是高电平，即 5V。
这是因为 TTL 反相器的工作原理是基于一个开关电路，当输入电平
为低电平时，开关关闭，输出电平为高电平；当输入电平为高电平时，开关打开，输出电平为低电平。
而在空载状态下，由于没有输入信号，开关电路会保持关闭状态，反相器输出电平因此会保持在高电平状态。
需要注意的是，尽管 TTL 反相器在空载状态下的输出电压通常
为高电平，但这并不是绝对的规律。
在一些极端情况下，如在高温环境或电源电压波动较大的情况下，反相器可能会处于不稳定状态，输出电压也可能会出现波动或异常变化。
因此，在实际应用中，我们需要根据具体情况进行测试和调试，以确保反相器的正常工作和输出电压的稳定性。
- 1 -。
成都理工大学 数字电子基础第三章TTL和CMOS电路
电源VCC（+5V）
外形
地GND
管脚
74LS00内含4个2输入与非门， 74LS20内含2个4输入与非门。
2.或非门
有1出0，全0出1
T2与T2'形成或 逻辑关系 ABA为为 、高高B都电电为平平低时时电，，
T通 输 T通 输 平 同 截22、 ′， 出 ， 出 时 止时、T截 ，TYTY，T544为 为5同截 截止TT同42低 低时止 止、 导，时电 电导， ，T通T导25平 平′，。 。
vo
t pd 2 (t pdLH t pdHL )
原因
结电容（D和T）的存在 o
分布电容的影响
50% t
tpdHL
50% t tpdLH
§3.5.5 其他类型的TTL门电路
一. 其他逻辑功能的门电路
1. 与 非 门
Y (A B)
输入端改成多发 射极三极管
TTL集成门电路的封装：
双列直插式
如：TTL门电路芯片（四2输入与非门，型号74LS00 )
相当于断开的开关，vO≈vDD.
当vI>VGS(th)且vI继续升高时，MOS管工作在可变 电阻区。MOS管导通内阻RON很小，D-S间相当于闭合
的开关,vO≈0。
四、MOS管的四种基本类型
D
D
G
S N沟道增强型
G
S N 沟道耗尽型
D
G S
P 沟道增强型
D
G S
P 沟道耗尽型
在数字电路中，多采用增强型。
一、TTL反相器的电路结构和工作原理
输入级 倒相级 输出级
称为推拉式 电路或图腾 柱输出电路
二、电压传输特性
1.3V 0.6V
ttl反相器工作原理
2.3 TTL反相器
放映
2.3.1 TTL反相器的工作原理
2.3.2 TTL反相器的电压传输特性及参数 2.3.3 TTL反相器的输入特性和输出特性
2.3.4 TTL反相器的其它参数
26.04.2020
A
1
复习
什么是高电平？什么是低电平？ 什么是状态赋值？ 什么是正逻辑？什么是负逻辑？ 二极管与门、或门有何优点和缺点？
A
14
26.04.2020
UIL UNL UOFFA UON UNH UIH
15
① 低电平噪声容限（低电平正向干扰范围） UNL=UOFF-UIL
UIL为电路输入低电平的典型值（0.3V） 若UOFF=0.8V，则有 UNL=0.8-0.3=0.5 (V)
② 高电平噪声容限（高电平负向干扰范围） UNH = UIH - UON
uB1=0.7V×3=2.1V， VT2和VT4饱和， 输出为低电平uO=0.3V。
2.1V 3.6V
26.04.2020
A
0.3V
8
（2） 当输入低电平时， uI=0.3V，
VT1发射结导通， uB1=0.3V+0.7V=1V，
VT2和VT4均截止， VT3和VD导通。 输出高电平
1V 0.3V
RI 不大不小时，工作在线性区或转折区。
26.04.2020
A
21
(1) 关门电阻ROFF —— 在保证门电路输出为 额定高电平的条件下，所允许RI 的最大值称为关 门电阻。典型的TTL门电路ROFF≈ 0.7kΩ。
A
13
(5) 阈值电压UTH 电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称为阈 值电压UTH（又称门槛电平）。通常UTH≈1.4V。
ttl反相器工作原理
UOFF UON
在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小
输入高电平的数值，称为开门电平UON。
在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大
输入低电平的数值，称为关门电平UOFF。
19.04.2021
13
(5) 阈值电压UTHБайду номын сангаас电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称为阈 值电压UTH（又称门槛电平）。通常UTH≈1.4V。
16
2.3.3 TTL反相器的输入特性和输出特性
1. 输入伏安特性 输入电压和输入电流之间的关系曲线。
图2-11 TTL反相器的输入伏安特性
19.04.2021 （a）测试电路 （b）输入伏安特性曲线
17
两个重要参数：
(1) 输入短路电流IIS 当uI = 0V时，iI从输入端流出。 iI =－(VCC－UBE1)/R1 =－(5－0.7)/4 ≈－1.1mA
UIL为电路输入低电平的典型值（0.3V） 若UOFF=0.8V，则有 UNL=0.8-0.3=0.5 (V)
② 高电平噪声容限（高电平负向干扰范围） UNH = UIH - UON
UIH为电路输入高电平的典型值（3V） 若UON=1.8V，则有 UNH = 3-1.8 =1.2 (V)
19.04.2021
19.04.2021
20
ROFF
RON RI→ ∞悬空时？
RI 较小时，关门，输出高电平；
RI 较大时，开门，输出低电平； RI 不大不小时，工作在线性区或转折区。
19.04.2021
21
(1) 关门电阻ROFF —— 在保证门电路输出为 额定高电平的条件下，所允许RI 的最大值称为关 门电阻。典型的TTL门电路ROFF≈ 0.7kΩ。
TTL反相器
人像
再见！
►输入级：由T1和电 阻Rb1组成，提高电 路的工作速度。
+
► 输出级：由T3，T4， vI –
二极管D和电阻RC4组 成，提高开关速度 和带负载能力。
Rb1 4k
T1
Rc 2 1.6k
T2
VCC (5V) Rc 4 130
T4
D
T3
Re2 1K
+
负载
vO
–
输入级
中间级
输出级
1. TTL反相器的工作原理
TTL反相器
华中科技大学 杨彩虹
1. TTL反相器
1.1 基本BJT反相器的问题
BJT开关速度受限： ►管子基区内电荷的存储和消 散需要时间。
► 带电容负载时，CL的充、放 放电过程均经历一定的时间，
从而增加输出电压O波形的上
升和下降时间。
RC
RB
01
VCC CL
1.2 TTL反相器的基本电路
电路改进：
R1Ke2R1Ke2
––
当O= 0.2V
输出为低电平时，T4截止，T3饱和导通，其 饱和电流全部用来驱动负载。
当O= 3.6V
输出为高电平时，T3 截止，T4 组成的电压跟 随器的输出电阻很小，输出高电平稳定，带负 载能力也较强。
4. 输出级对TTL反相器工作速度的影响 提高开关速度
0.2V
+ vI –
VCC(5V)
Rb1 4k
0.9V
vB1
Rc2 1.6k
T1
T2
Rc4 130
T4
D 3.6V
T3
Re2 1K
+
负载 vO –
ttl反相器工作原理(课堂PPT)
UOFF UON
在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小
输入高电平的数值，称为开门电平UON。
在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大
输入低电平的数值，称为关门电平UOFF。
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13
(5) 阈值电压UTH 电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称为阈 值电压UTH（又称门槛电平）。通常UTH≈1.4V。
图2-12 输入负载特性曲线
（a）测试电路 （b）输入负载特性曲线
19.06.2020
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虚框内为TTL反相器的部分内部电路
在一定范围内，
uI随RI的增大而升 高。但当输入电压
uI达到1.4V以后， uB1 = 2.1V，RI增大， 由于uB1不变，故uI = 1.4V也不变。这 时VT2和VT4饱和导 通，输出为低电平。
19.06.2020
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ20
ROFF
RON RI→ ∞悬空时？
RI 较小时，关门，输出高电平；
RI 较大时，开门，输出低电平； RI 不大不小时，工作在线性区或转折区。
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(1) 关门电阻ROFF —— 在保证门电路输出为 额定高电平的条件下，所允许RI 的最大值称为关 门电阻。典型的TTL门电路ROFF≈ 0.7kΩ。
(6) 噪声容限（ UNL和UNH ） 噪声容限也称抗干扰能力，它反映门电路在多大 的干扰电压下仍能正常工作。 UNL和UNH越大，电路的抗干扰能力越强。
19.06.2020
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19.06.2020
UIL UNL UOFF UON UNH UIH
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① 低电平噪声容限（低电平正向干扰范围） UNL=UOFF-UIL
ttl反相器工作原理详解
ttl反相器工作原理详解TTL反相器是一种重要的数字逻辑门电路元件，在电子电路设计中得到广泛应用。
本文将详细介绍TTL反相器的工作原理，并探讨其在数字电子电路设计中的应用。
一、TTL反相器的基本概念TTL反相器是指一种输出电平与输入电平相反的器件。
同其它数字逻辑器件一样，TTL反相器也属于数字集成电路的一种，其主要作用是实现数字信号的反相。
TTL反相器的输出电平可以高电平或低电平，而输入电平通常为高电平或低电平。
输入被传入反相器时，输出将相反于输入。
这意味着，如果输入电平为高电平，则输出电平为低电平；反之，如果输入电平为低电平，则输出电平为高电平。
二、TTL反相器的工作原理TTL反相器的工作原理可以通过晶体管的电路理解。
TTL反相器通常是由四个晶体管组成的，分别是输入端的两个晶体管和输出端的两个晶体管。
这些晶体管的集电极和发射极与电路的正电源和负电源相连。
当输入电平为低电平时，输入晶体管关闭，输出晶体管也关闭，此时输出端的电平为高电平。
反之，当输入电平为高电平时，输入晶体管打开，输出晶体管也打开，因此输出端的电平为低电平。
由此可见，TTL反相器的输出与输入电平是相反的。
三、TTL反相器的特点1. TTL反相器具有高速反应速度和小功耗的特点，因此广泛应用于数字逻辑电路设计中。
2. TTL反相器的输入电阻较低，其输入电流比CMOS 电路更大，在设计电路时需要考虑其功耗问题。
4. TTL反相器的输出稳定性较低，有时需要加入适当的负载电阻来提高其稳定性。
五、TTL反相器的应用TTL反相器在数字电子电路中的应用非常广泛，它常常用于数字信号反相和逻辑运算中。
例如，TTL反相器可用于制作触发器电路、计数器电路、多路选择器等数字电路。
TTL反相器还常常与其它数字逻辑器件一起使用，如与与门相连可以形成反相与门，可帮助完成各种逻辑电路的设计。
六、总结本文详细介绍了TTL反相器的工作原理以及它在数字电子电路设计中的应用。
TTL反相器原理
2019/1/16
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ROFF
RON
RI 较小时，关门，输出高电平； RI 较大时，开门，输出低电平； RI 不大不小时，工作在线性区或转折区。
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(1) 关门电阻ROFF —— 在保证门电路输出为
额定高电平的条件下，所允许RI 的最大值称为关 门电阻。典型的TTL门电路ROFF≈ 0.7kΩ。 (2) 开门电阻RON—— 在保证门电路输出为额 定低电平的条件下，所允许RI 的最小值称为开门 电阻。典型的TTL门电路RON≈ 2kΩ。 数字电路中要求输入负载电阻RI ≥ RON或RI ≤
VT3组成射极输出器，优点是既能提高开关速度， 又能提高负载能力。 当输入高电平时，VT4饱和， uB3=uC2=0.3V+0.7V=1V，VT3和VD截止，VT4的集电 极电流可以全部用来驱动负载。 当输入低电平时，VT4截止，VT3导通(为射极输 出器)，其输出电阻很小，带负载能力很强。 可见，无论输入如何，VT3和VT4总是一管导通而 另一管截止。 这种推拉式工作方式，带负载能力很强。
2019/1/16 11
(5) 阈值电压UTH
电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称为阈
值电压UTH（又称门槛电平）。通常UTH≈1.4V。
(6) 噪声容限（ UNL和UNH ） 噪声容限也称抗干扰能力，它反映门电路在多大 的干扰电压下仍能正常工作。 UNL和UNH越大，电路的抗干扰能力越强。
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两个重要参数： (1) 输入短路电流IIS 当uI = 0V时，iI从输入端流出。 iI =－(VCC－UBE1)/R1 =－(5－0.7)/4 ≈－1.1mA (2) 高电平输入电流IIH 当输入为高电平时，VT1的发射结反偏，集电结 正偏，处于倒置工作状态，倒置工作的三极管电流 放大系数β反很小(约在0.01以下)，所以 iI = IIH =β反 iB2 IIH很小，约为10μA左右。
TTL门电路
TTL门电路双极性数字集成电路中应用最广的为TTL电路（Transister-Transister-Logic的缩写）国产TTL集成电路有CT54/74通用系列、CT54H/74H高速系列、CT54S/74S肖特基系列和CT54LS/74LS低功耗肖特基系列。
2.4.1 TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构TTL反相器电路结构如图2.4.1示，由三部分组成：T1、R1，D1构成的输入级；T2、R2、R3组成的倒相级，T4、T5、D2、R4组成输出级。
输入端和输出端都是三极管结构。
设电源电压Ec=+5v， A,B输入信号的高、低电平分别为：VIH=3.4v，VIL=0.2v，PN结的开启电压为VoN=0.7v。
1. A为低电平时，T1的发射结导通，并将T1的集电极电位钳在VIL+VoN=0.9v，由于T1的集电极回路电阻为R2和T2的b-c结反向电阻之和，阻值非常大，所以T1工作在深度饱和区，Vces1 ?0。
显然，T2的发射结不导通，T2截止，Vc2为高电平，Ve2为低电平，使T5截止，故 R2上的压降很小，Vc2?Vcc，T4管导通。
因此，输出为高电平VOH=3.6v。
2. 当输入信号为高电平VIH=3.6v，假设暂不考虑T1管的集电极支路，则T1管的发射结均应导通，可能使Vb1=VIH+0.7=4.3v。
但是，由于Vcc经R1作用于T1管的集电极、T2和T5管的发射结，使三个PN结必定导通，Tb1=Vbc1+Vbe2+Vbe5=2.1v，使T1管的所有发射结均反偏，T1管处于倒置工作状态，T1、T2和T5管饱和导通，Vo=VoL=Vces5=0.3v，Vc2=Vces2+Vbe5=0.3+0.7=1v，T4管截止。
综上所述，TTL非门输入端输入低电平，输出即为高电平；当输入端输入高电平时，输出为低电平，实现了非逻辑功能，。
二、电压传输特性1．TTL反相器的电压传输特性图2.4.1示TTL反相器的电压传输特性是指门电路输入电压VI与输出电压VO之间的关系曲线，即VO = f（VI），电压传输特性如图2.4.2。
TTL反相器
TTL 反相器 1.电路T 1、R 1、D 1组成输入级，T 2、R 2、 R 3组成中间级，T 4、D 2、T 5、R 4组成输出级。
A 为输入，Y 为输出。
设电源电压V CC＝5V，输入信号的高、低电平分别为 V iL=0.2v,V iH=3.4v ,三极管的开启电压为0.7V 。
2.工作原理当V I=V IL 时，T 1导通，导通后T 1的集电极电压为0.2V 。
因此T 2，T 5管截止，使V C2为高电平,VE2为低电平，从而使T4、D 2导通，输出为高电平V OH.当V I=V IH 时，如果不考虑T 2的存在，则应有显然，在存在T 2和T 5的情况下，T 2和T 5同时导通，则V B1 被钳在2.1V ，T 2导通使V C2为低电平 ，导致T 4、D 2截止、T 5导通，输出变为低电平V OL.为确保T 5饱和导通T 4可靠截止，在T 4的发射极下串进二极管D 2。
D 1是输入端钳位二极管，它可以防止输入电压为负时T 1的发射极电流过大，起到保护作用。
D 1允许通过的最大电流约为20mA 。
由于T 2集电极输出的电压信号和发射极输出的电压信号变化方向相反，所以把这一级也叫做倒相级。
输出级在稳定状态下T 4和T 5总是一个导通而另一个截止，这就有效地降低了输出级的静态功耗并提高了驱动负载的能力。
通常把这种形式的电路称为推拉式（push pull) 输出电路反相器输出电压V O 随输入电压V I 的变化，称为电路的电压传输特性，其曲线为反相器的电压传输特性曲线。
3.电压传输特性曲线的AB 段，因为 V I<0.7V 所以，T 2和 T 5截止而T4 、D 2导通，故输出为高电平。
这一段称为特性曲线的截止区BC 段，由于V I>=0.7V 但低于1.4V ，所以T 2导通而T 5依旧截止。
这时T 2工作在放大区，随着VI 的升高， T 5开始导通,V C2,V O 线性地下降。
TTL反相器原理-PPT精选文档
图2-9
TTL反相器的基本电路
2
(1) 输入级
P N N
P
N
N
当输入低电平时， uI=0.3V，发射结正向导 通， uB1=1.0V 当输入高电平时， uI=3.6V，发射结受后级 电路的影响将反向截止。 uB1由后级电路决定。
2019/3/9 3
(2) 中间级
反相器VT2 实现非逻辑 输入高电 压时饱和 输入低电 压时截止
2019反相器的输入端对地接上电阻RI 时，uI随 RI 的变化而变化的关系曲线。
图2-12 输入负载特性曲线 （a）测试电路 （b）输入负载特性曲线
2019/3/9 17
在一定范围内， uI随RI的增大而升 高。但当输入电压 uI达到1.4V以后， uB1 = 2.1V，RI增大， 由于uB1不变，故uI = 1.4V也不变。这 时VT2和VT4饱和导 通，输出为低电平。
典型值为3V。
2019/3/9
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(3) 开门电平UON
一般要求UON≤1.8V (4) 关门电平UOFF 一般要求UOFF≥0.8V
UOFF UON
在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小 输入高电平的数值，称为开门电平UON。
在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大 输入低电平的数值，称为关门电平UOFF。
UIH为电路输入高电平的典型值（3V）
若UON=1.8V，则有 UNH = 3-1.8 =1.2 (V)
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2019/3/9
TTL反相器的输入特性和输出特性
1. 输入伏安特性 输入电压和输入电流之间的关系曲线。
2019/3/9
图2-11 TTL反相器的输入伏安特性 （a）测试电路 （b）输入伏安特性曲线
TTL集成逻辑门电路组成及特性
TTL集成逻辑门电路组成及特性数字电路中，最基本的逻辑门可归结为与门、或门和非门。
实际应用时，它们可以独立使用，但用的更多的是经过逻辑组合组成的复合门电路。
目前广泛使用的门电路有TTL门电路和CMOS门电路。
TTL集成逻辑门电路的工作特点是工作速度高、输出幅度较大、种类多、不易损坏，以TTL反相器为例，来了解一下TTL电路的组成、特性、参数及使用规则。
1．TTL反相器的电路结构和工作原理反相器是TTL门电路中电路结构最简单的一种。
图6.16所示为74系列TTL反相器的典型电路。
该类型电路的输入端和输出端均为晶体管结构，所以称做晶体管—晶体管逻辑电路，简称TTL电路。
该图电路由3部分组成，VT1、R1和VD1组成输入级，VT2、R2和R3组成倒相级，VT3、VT4、VD2和R4组成输出级。
图6.16反相器电路设电源电压U DD=5V，输入信号的高、低电平分别为U IH=3V，U IL=0.3V，并认为二极管正向压降为0.7V。
由图6.17可见，当U I=U IL时，VT1的发射结必然导通，导通后VT1的基极电位U B1被钳在1V。
因此，VT2、VT3不导通。
VT2截止后U C2为高电平，VT4导通，U O=5－U R2－0.7－0.7≈3.6V，输出为高电平U OH。
当U I=U IH时，如果不考虑VT2的存在，则应有U B1=U IH+0.7=3.7V。
显然，在VT2和VT3存在的情况下，VT2和VT4必然饱和导通。
此时，U B1便被钳在了2.1V左右。
VT2和VT3饱和导通使U C2降为1V，导致V T4截止，U O=0.3V，输出变为低电平U OL。
可见输出和输入之间是反相关系，即Y=A。
输出级的工作特点是在稳定状态下VT4和VT3总是一个导通而另一个截止，这就有效地降低了输出级的静态功耗并提高了驱动负载的能力。
通常把这种形式的电路称为推拉式电路或图腾柱输出电路。
为确保饱VT 3和导通时VT 4可靠地截止，又在VT 4的发射极下面串进了二极管VD 2。
TTL反相器的工作原理及传输特性
TTL反相器的工作原理及传输特性TTL反相器的基本电路 由前面的分析已知，带电阻负载的BJT反相器，其动态性能不理想。
在保持逻辑功能不变的前提下，可以另外增加若干元器以改善其动态性能，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。
下图就是一个TTL反相器的基本电路。
该电路由三部分组成： 由三极管T1组成电路的输入级； 由T3、T4和二极管D组成输出级； 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v I2转换为互补的双端输出信号v I3和v I4，以驱动T3和T4。
1.TTL反相器的工作原理 这里主要分析TTL反相器的逻辑关系,并估算电路中有关各点的电压，以得到简单的定量概念。
（1）当输入为高电平，如v I＝3.6V时，电源V CC通过R bl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，如 v O＝0.2V。
此时 V B1＝V BC1＋V BE2＋V BE3＝（0.7＋0.7＋0.7）V＝2.1V 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 V C3 ＝0.2V，同时可估算出V C2的值：V C2＝V CE2＋V B3＝（0.2＋0.7）V＝0.9V 此时，V B4＝V C2＝0.9V。
作用于T4的发射结和二极管D的串联支路的电压为V C2－V o＝（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）当输入为低电平且电压为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：V B1＝（0.2＋0.7）V＝0.9V 此时V B1作用于T1的集电结和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，V CC通过R C2向T4提供基极电流，致使T4和D导通，其电流流入负载。
TTL集成门电路
与门、与非门的处理
A B
&
或Y门、A或UC非C &门的处Y理办法使是用AB一或样接的≥电，1 源并联
A B
≥1
Y
办法是B 一样的，并联
YABBAB
A B
&Y
使Y用或AB 接1地AB
UCC
A &Y
Y ABB
Y AB0
AB
AB
A
≥1
A
≥1
B
YB
Y
B
YAB A BB YA1B AB
Y ABB AB
外接负载电阻RL的选择
所只有有的一门个都门处导于通截，止输状出态低，电输平出，为所高有电负平载，电有流一都个流负入载该，导就通有门一，个这拉时， 流所，有T电4管流还之有和一不个应反超向过输OC出门的带漏灌电流流负IO载H，的都最使大电值平下降
RL不能太大
RL不能太小
2.三态（TS）门
三态门是指输出除了高、低电平，
G1 G7
DDD71 0
双向传输数据线 当 ABB/ A1 时 G2使能，G1高阻 数据从A到B
当 ABB/ A0 时
G1使能，G2高阻
数据从B到A
G1 1
X
A
EN
B
1 G2 X
EN
01
1
AB/BA
10
五、其它双极型 TTL电路是应用最广泛的双极型集成电路，为了满足某些
特殊要求，还出现了一些其它类型双极型集成电路
74LS**：低功耗肖特基TTL 只要后面**的数字相同
74AS**：先进肖特基TTL 逻辑功能就完全相同
74F**：高速TTL
集成块引脚图也相同
74ALS**：先进低功耗肖特基TTL
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图2-9 TTL反相器的基本电路
2
(1) 输入级
P N N
P
N
N
当输入低电平时， uI=0.3V，发射结正向导 通， uB1=1.0V 当输入高电平时， uI=3.6V，发射结受后级 电路的影响将反向截止。 uB1由后级电路决定。
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(2) 中间级
反相器VT2 实现非逻辑 输入高电 压时饱和 输入低电 压时截止
1. 平均传输延迟时间tpd
平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。 tpd = （tpLH +tpHL）/2
图2-15 TTL反相器的平均延迟时间
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2． TTL门电路主要参数的典型数据
表2-5 74系列TTL门电路主要参数的典型数据
参数名称
导通电源电流 ICCL 截止电源电流 ICCH 输出高电平 UOH 输出低电平 UOL 输入短路电流 IIS 输入漏电流 IIH
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(2) 输出低电平时的输出特性
灌电流负载
图2-14 输出低电平时的输出特性 一般灌电流在20 mA以下时，电路可以正常工作。 （a）电路 （b）特性曲线
负载电流iL不可过大，否则输出低电平会升高。 典型TTL门电路的灌电流负载为12.8 mA。
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TTL反相器的其它参数
UIH为电路输入高电平的典型值（3V）
若UON=1.8V，则有 UNH = 3-1.8 =1.2 (V)
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TTL反相器的输入特性和输出特性
1. 输入伏安特性 输入电压和输入电流之间的关系曲线。
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图2-11 TTL反相器的输入伏安特性 （a）测试电路 （b）输入伏安特性曲线
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两个重要参数： (1) 输入短路电流IIS 当uI = 0V时，iI从输入端流出。 iI =－(VCC－UBE1)/R1 =－(5－0.7)/4 ≈－1.1mA (2) 高电平输入电流IIH 当输入为高电平时，VT1的发射结反偏，集电结 正偏，处于倒置工作状态，倒置工作的三极管电流 放大系数β反很小(约在0.01以下)，所以 iI = IIH =β反 iB2 IIH很小，约为10μA左右。
虚框内为TTL反相器的部分内部电路
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ROFF
RON
RI 较小时，关门，输出高电平； RI 较大时，开门，输出低电平； RI 不大不小时，工作在线性区或转折区。
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(1) 关门电阻ROFF —— 在保证门电路输出为
额定高电平的条件下，所允许RI 的最大值称为关 门电阻。典型的TTL门电路ROFF≈ 0.7kΩ。 (2) 开门电阻RON—— 在保证门电路输出为额 定低电平的条件下，所允许RI 的最小值称为开门 电阻。典型的TTL门电路RON≈ 2kΩ。 数字电路中要求输入负载电阻RI ≥ RON或RI ≤
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TTL反相器的电压传输特性及参数
电压传输特性：输出电压uO与输入电压uI的关 系曲线。 VT4截止，称关门 1. 曲线分析 截止区 线性区
VT4饱和， 称开门
转折区
饱和区
TTL反相器电路的电压传输特性
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2. 结合电压传输特性介绍几个参数 (1) 输出高电平UOH (2) 输出低电平UOL 典型值为0.3V。
典型数据
≤10 mA ≤5 mA ≥3 V ≤0.35 V ≤2.2 mA ≤70μA
开门电平 关门电平
UON UOFF
≤1.8 V ≥0.8 V
≤30 ns
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平均传输时间 tpd
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VT3组成射极输出器，优点是既能提高开关速度， 又能提高负载能力。 当输入高电平时，VT4饱和， uB3=uC2=0.3V+0.7V=1V，VT3和VD截止，VT4的集电 极电流可以全部用来驱动负载。 当输入低电平时，VT4截止，VT3导通(为射极输 出器)，其输出电阻很小，带负载能力很强。 可见，无论输入如何，VT3和VT4总是一管导通而 另一管截止。 这种推拉式工作方式，带负载能力很强。
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2. 输入负载特性
TTL反相器的输入端对地接上电阻RI 时，uI随 RI 的变化而变化的关系曲线。
图2-12 输入负载特性曲线 （a）测试电路 （b）输入负载特性曲线
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在一定范围内， uI随RI的增大而升 高。但当输入电压 uI达到1.4V以后， uB1 = 2.1V，RI增大， 由于uB1不变，故uI = 1.4V也不变。这 时VT2和VT4饱和导 通，输出为低电平。
0.3V
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Hale Waihona Puke 6（2） 当输入低电平时， uI=0.3V，
VT1发射结导通， uB1=0.3V+0.7V=1V， VT2和VT4均截止， VT3和VD导通。 输出高电平 uO =VCC -UBE3-UD ≈5V-0.7V-0.7V=3.6V
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1V
0.3V
3.6V
(3) 采用推拉式输出级利于提高开关速度和负载能力
TTL反相器
TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用
半导体三极管，所以称晶体管—晶体管逻辑门电路， 简称TTL电路。 TTL电路的基本环节是反相器。 简单了解TTL反相器的电路及工作原理，重点 掌握其特性曲线和主要参数（应用所需知识）。
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TTL反相器的工作原理
1. 电路组成
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UIL
UNL
UOFF
UON
UNH U IH
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① 低电平噪声容限（低电平正向干扰范围）
UNL=UOFF-UIL
UIL为电路输入低电平的典型值（0.3V）
若UOFF=0.8V，则有 UNL=0.8-0.3=0.5 (V) ② 高电平噪声容限（高电平负向干扰范围） UNH = UIH - UON
典型值为3V。
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(3) 开门电平UON
一般要求UON≤1.8V (4) 关门电平UOFF 一般要求UOFF≥0.8V
UOFF UON
在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小 输入高电平的数值，称为开门电平UON。
在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大 输入低电平的数值，称为关门电平UOFF。
ROFF ，否则输入信号将不在高低电平范围内。
振荡电路则令 ROFF ≤ RI ≤ RON使电路处于转 折区。
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3. 输出特性 指输出电压与输出电流之间的关系曲线。 (1) 输出高电平时的输出特性
拉电流负载
图2-13 输出高电平时的输出特性 （a）电路 （b）特性曲线
负载电流iL不可过大，否则输出高电平会降低。
反相输出
向后级提供反相 与同相输出。
同相输出
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(3) 输出级（推拉式输出） VT3为射极跟随器
低输入 截止 高输入 饱和
高输入
导通
低输入 截止
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2. 工作原理
（1）当输入高电平时， uI=3.6V，
VT1处于倒置工作状态，
集电结正偏，发射结反偏， uB1=0.7V×3=2.1V， VT2和VT4饱和， 输出为低电平uO=0.3V。 2.1V 3.6V
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(5) 阈值电压UTH
电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称为阈
值电压UTH（又称门槛电平）。通常UTH≈1.4V。
(6) 噪声容限（ UNL和UNH ） 噪声容限也称抗干扰能力，它反映门电路在多大 的干扰电压下仍能正常工作。 UNL和UNH越大，电路的抗干扰能力越强。
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