15 晶体管-晶体管逻辑门电路(TTL与非门)(1)
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1
+VCC(5V)
工作原理
R4 130 T4
D T3
Y
vo
RL
R3 T1 的基极电压无法使 T1 的集电结 因为： 和 T2、T3的发射结(3个PN结)导通 1k 所以：T2 、 T3截止，iC1 = 0 T1 深度饱和
vO = vB4 vBE4 vD
vB4 = 5V
T4 、 D 导通
D2 uY/V 导通 0.7 截止 0.7 导通 0.7 导通 3.7
A B
Y
与门（AND gate)
二极管或门电路
真值表 D1
电压关系表 uA/V uB/V 0 0 3 3 0 3 0 3 D1 导通 截止 导通 导通 D2 uY/V 导通 0.7 导通 2.3 截止 2.3 导通 2.3
A B Y uY D2 0 0 u0 B 3 3 V 0 V 0V 1 0 1 RO 1 1 0 UD = 0.7 1 -VSS 1 V1 -10V Y=A+ B 符号: A B
因为
iB I BS
所以 T 饱和
uO U CES ≤ 0.3 V
12
非门电路 ─ 三极管反相器
状态百度文库断
1. uI UIL 0V
2. uI UIH 5V
T 截止
+ uI -
iC Rb iB
4.3 k
+VCC +5V Rc
1 k
uO UOH VCC 5V
T导通
TTL反相器的基本电路
电路特点 2. 采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力
+VCC(5V) R1 4k 0.9V A 0.2V R2 1.6k 5V iC1 T1 0.2V R3 1k
+VCC(5V)
R4 130 T4 +VC
C
R4 130 T4
T2 D T3 vo
R1 4k 2.1 A
R4 130 T4 DY uo 0.3 T3
但 T2、T3的基区存储电荷 还来不及消散vB2仍= 1.4V
T1 0.2 D1
0.2V
所以，T1管Je正偏、Jc反偏， 工作在放大状态。
R3 1k
则T1管射极电流很快地从T2的基区抽走多余的存储电荷, 从而加速了状态转换，使T2进入截止区。 vB2 = 0.2V T4的导通形成低阻通路，又很快地抽走T3的基区存储 电荷, 使T3加速进入截止区。 vO = 3.6V
P N
发射极 emitter
双极型晶体三极管(BJT)的基本特性
iB b
c iC e NPN
(反偏)
(正偏)
VBC
饱和区
(正偏)
反向工作区
(反偏)
VBE
截止区
正向工作区
正向工作区 IB IE
反向工作区 IB IE
饱和工作区
截止区
C B
VCES
C
B E
IC
IC
E
IE=IB+IC
IC=IB+IE
(3) 输入特性
半导体二极管的开关特性
静态特性
I D/mA
-A P区 --阳极
A
++ ++ + + N区 ++
PN结 + UD -
K 反向 阴极 U (BR) 截止区
0
正向 导通区
0.5 0.7
K
ID
反向 击穿区
U D/V
1. 外加正向电压(正偏) 硅二极管伏安特性 二极管导通(相当于开关闭合) U D 0.7 V U D 0.5 V 2. 外加反向电压(反偏) 二极管截止(相当于开关断开) I D 0
二极管的开关特性
一、理想开关的开关特性
静态特性
A
S
K
1. 断开
ROFF ，I OFF 0
2. 闭合
动态特性
RON 0， U AK 0
开关特性 闭合） t on 0 断开） t off 0
1. 开通时间： （断开 2. 关断时间： （闭合
普通开关：静态特性好，动态特性差（几十ms） 几百万/秒 半导体开关：静态特性较差，动态特性好 几千万/秒
RL 3.6 iE1
R2 1.6k 1 T1 1.4 0.7 R3 1k T2
Y
0V
iB4
D RL Y vo 0.3 T
3
拉电流 负载
灌电流 负载
TTL逻辑门电路 一、简易TTL与非门
1.1 两管单元TTL与非门结构
与非门
A 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 O 1 1 1 1 1 1 1 0
(设β1 ~ 4 = 20)
I BS2 因为 iB2 0.74 mA , 则 iB2 正常的逻辑运算 T2 饱和的假设成立 19
工作原理
uI UIH 3.6 V
R1 4k 2.1 A 3.6 iI u E1
+VCC(5V) R4 R2 130 1.6k +VC T iB1 1 4 ICS2 C 1.4 T D RL 2 T1 Y iB2 iE2 uo 0.3 0.7 T3 iB3 R3 1k iR3 灌电流 负载
iB 0
iC 0
uO VCC 12 V
+ 3V 2.3 k -2V
Rb i B
T
100
+ uo
uI
( 2) uI UI H 3 V
发射结正偏 T 导通
放大还 是饱和？
( 2) uI UI H 3 V
饱和导通条件：
VCC iB I BS Rc
若外接负载 RL ： I CS3 I BS3
T3 的饱和程度 uO
TTL反相器的基本电路
+VCC(5V)
电路特点 1. 采用输入级以提高工作速度
首先，输入为高电平（3.6V） 当输入下跳变时（3.6V0.2V）3.6V u
R1 2.1 4k A 0.9
I
R2 1.6k 1 1.4 5 T2 0.7
=(5-0.7-0.7)=3.6V
输出为高电平
工作原理
( 2) uI UIH 3.6 V
假设 T1 导通
+VCC(5V) R1 4.3V 4k 2.1V A uI R2 1.6k T1 R3 1k T2
uB1 ( 3.6 0.7)V 4.3V
3.6 V
R4 130 T4
≥1
3V 0 V 3 V uA 3
Y
或门（OR gate)
双极型晶体三极管(BJT)的基本特性
一、静态特性 (电流控制型)
1. 结构、符号和输入、输出特性 (Transistor) (1) 结构
集电极 collector N 基极 集电结 发射结
(2) 符号 iB b c iC e NPN
base
Rc Rb i B iC
+VCC +12V
2 k
uI uBE iB ( uBE 0.7 V) Rb
3 0.7 mA 1 mA 2.3
+ 3V 2.3 k -2V
T
100
+
uo
uI
I CS VCC UCES VCC 12 I BS mA 0.06 mA Rc 100 2 Rc
(4) 输出特性
iC f ( uCE ) iB
饱 3和 区
2
50 µ A
40µ A 放大区 30 µ A 20 µ A 10 µ A 截止区
2 4
1 0
iB = 0 u /V CE
6 8
2. 开关应用举例
(1) uI UI L 2 V
发射结反偏 T 截止
+VCC (12V) Rc 2 k iC
二极管与门电路
真值表 +VCC
YR 0 0 0 uY 0 1
+10V
电压关系表 u A / V u B/ V 0 0 3 3 & 0 3 0 3
A B D1 0 0 3V 3 V uA 0 0 D21 1 0 3 0 V uB 0V 1 1 Y = AB 符号:
UD = 0.7 V
D1 导通 导通 截止 导通
TTL反相器的基本电路
电路组成
D1 — 保护二极管 防止输入电压过低。
当 uI < 0.5 ~ 0.7 V 时， A uI R1 4k R2 1.6k T2 +VCC(5V)
R4 130 T4
DY T3
D1 导通， uI 被钳制在 0.5 ~ 0.7 V，不可能继 续下降。
UIH uBE 5 0.7 iB mA 1 mA Rb 4.3 VCC 5 I BS mA 0.17mA Rc 30 1
T
β = 30
+ uO
-
因为 iB I BS 所以 T 饱和
饱和导通条件: iB I BS
uO U OL 0.3 V
非门电路 ─ 三极管反相器
T1 倒置放大状态 T2 饱和，T4 、D 均截止
T3 的工作状态：导通
iB3 iE2 iR3 2.54 mA
放大还是 iE2 iB2 I CS2 3.24 mA 饱和？ uE2 0.7 i R3 0.7 mA R3 1
又因为 T4、D 均截止，即
I CS3 0 、I BS3 0（无外接负载） 所以 iB3 I BS3 T3 深度饱和：uO = UCES3 ≤ 0.3V
假设 T2 饱和导通
T1
iB2 1.4V
uC2 uCES2 uBE3 1 V
T4 、D 均截止
0.7V R3 思考： 1k D 的作用？
I CS2
I可以 VCC uC2 若无 D ，此时 T I BS2 4 CS2 0.125 mA 2.5 mA 2 R2 导通，电路将不能实现
半导体二极管的开关特性
二极管的开关作用：
[例] 电路如图所示，
+
0.7 D DV
-
uI 2 V 或 3 V
试判别二极管的工作 状态及输出电压。 [ 解]
+
-
uI
+
uO
-
uI U I L 2 V 二极管截止
uO = 0 V uO = 2.3 V
uI U I H 3 V 二极管导通
D Y uo
则 T1 的集电结和 T2、T3 的发射结(3 个 PN 结)导通
uB1 ( 3 0.7)V 2.1 V
uC1 uB 2 1.4 V uE2 uB3 0.7 V
1.4V 0.7V
T3
注意：T1 正常放大时 :发射结正偏，集电结反偏，即 uC> uB > uE
现在 : uE> uB > uC ，即 i 0.02 i b 发射结反偏 倒置放大 18β )i i ce = βi ib i ec =(1+ 集电结正偏 i b
逻辑关系 +VCC +5V Rc
1 k
电压关系表 uI/V 0 5
+ uO
真值表 A 0 1 符号 A 1 Y Y 1 0
iC + uI -
A Rb
iB
Y
uO/V 5 0.3
4.3 k
T
β = 30
-
函数式
YA
TTL逻辑门电路
TTL逻辑门是指输入端和输出端都用双极 型晶体三极管的集成电路(称为晶体管—晶 体管逻辑门或三极管—三极管逻辑门)。
A B C
VCC
R1 B1
R2 VO B2 T1 T2
两管单元TTL与非门
T1 是多发射极三极管，可以看成由三个三极管的基极 并接以及三个集电极并接而成，由共同的基极控制，分 析电路时每一个发射极均可当成一个三极管来分析。
状态 iB / µ A 放大 饱和 临界
iB f ( uBE ) uCE
截止 iC / mA
4
0
条 件 发射结正偏 i C= iB 集电结反偏 uCE 1V i C ＜ iB 两个结正偏 I CS= IBS uBE /V 两个结反偏 iB ≈ 0, iC ≈ 0
电流关系 u CE 0
因为 D1 只起保护作用，不 参加逻辑判断，为了便于分析， 今后在有些电路中将省去。
T1 D1
R3 1k
uo
输入级
中间级
输出级
TTL反相器的基本电路
R1 R2 4k 1.6k 5V (1) vI = VIL=0.2V（低电平） 0.9V iC1 A T1的发射结导通：vB1 = 0.9V T2 T 1 0.2V vI VCC vB1 iB1 1.02 mA > 0.2V 0V R
工作原理 T1 倒置放大状态
uI UIH 3.6 V
R1 4k 2.1V A uIiE1 3.6 V R2 1.6k iB1
+VCC(5V) R4 1V 130 ICS2 T4 D T 0.3V 2 Y uo T3
VCC uB1 iB1 0.725 mA R1 iB 2 (1 i )iB 1 0.74 mA
本 节 学 习 要 点 和 要 求
掌握简易TTL与非门工作过程 掌握典型TTL与非门工作过程 知道TTL与非门的带负载能力 掌握TTL与非门的电压传输特性 理解TTL与非门部分参数的意义 掌 握 O C 门 及 三 态 门 的 功 能
基本逻辑门电路
1 二极管与门电路 2 二极管或门电路 3 非门电路 ─ 三极管反相器
+VCC(5V)
工作原理
R4 130 T4
D T3
Y
vo
RL
R3 T1 的基极电压无法使 T1 的集电结 因为： 和 T2、T3的发射结(3个PN结)导通 1k 所以：T2 、 T3截止，iC1 = 0 T1 深度饱和
vO = vB4 vBE4 vD
vB4 = 5V
T4 、 D 导通
D2 uY/V 导通 0.7 截止 0.7 导通 0.7 导通 3.7
A B
Y
与门（AND gate)
二极管或门电路
真值表 D1
电压关系表 uA/V uB/V 0 0 3 3 0 3 0 3 D1 导通 截止 导通 导通 D2 uY/V 导通 0.7 导通 2.3 截止 2.3 导通 2.3
A B Y uY D2 0 0 u0 B 3 3 V 0 V 0V 1 0 1 RO 1 1 0 UD = 0.7 1 -VSS 1 V1 -10V Y=A+ B 符号: A B
因为
iB I BS
所以 T 饱和
uO U CES ≤ 0.3 V
12
非门电路 ─ 三极管反相器
状态百度文库断
1. uI UIL 0V
2. uI UIH 5V
T 截止
+ uI -
iC Rb iB
4.3 k
+VCC +5V Rc
1 k
uO UOH VCC 5V
T导通
TTL反相器的基本电路
电路特点 2. 采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力
+VCC(5V) R1 4k 0.9V A 0.2V R2 1.6k 5V iC1 T1 0.2V R3 1k
+VCC(5V)
R4 130 T4 +VC
C
R4 130 T4
T2 D T3 vo
R1 4k 2.1 A
R4 130 T4 DY uo 0.3 T3
但 T2、T3的基区存储电荷 还来不及消散vB2仍= 1.4V
T1 0.2 D1
0.2V
所以，T1管Je正偏、Jc反偏， 工作在放大状态。
R3 1k
则T1管射极电流很快地从T2的基区抽走多余的存储电荷, 从而加速了状态转换，使T2进入截止区。 vB2 = 0.2V T4的导通形成低阻通路，又很快地抽走T3的基区存储 电荷, 使T3加速进入截止区。 vO = 3.6V
P N
发射极 emitter
双极型晶体三极管(BJT)的基本特性
iB b
c iC e NPN
(反偏)
(正偏)
VBC
饱和区
(正偏)
反向工作区
(反偏)
VBE
截止区
正向工作区
正向工作区 IB IE
反向工作区 IB IE
饱和工作区
截止区
C B
VCES
C
B E
IC
IC
E
IE=IB+IC
IC=IB+IE
(3) 输入特性
半导体二极管的开关特性
静态特性
I D/mA
-A P区 --阳极
A
++ ++ + + N区 ++
PN结 + UD -
K 反向 阴极 U (BR) 截止区
0
正向 导通区
0.5 0.7
K
ID
反向 击穿区
U D/V
1. 外加正向电压(正偏) 硅二极管伏安特性 二极管导通(相当于开关闭合) U D 0.7 V U D 0.5 V 2. 外加反向电压(反偏) 二极管截止(相当于开关断开) I D 0
二极管的开关特性
一、理想开关的开关特性
静态特性
A
S
K
1. 断开
ROFF ，I OFF 0
2. 闭合
动态特性
RON 0， U AK 0
开关特性 闭合） t on 0 断开） t off 0
1. 开通时间： （断开 2. 关断时间： （闭合
普通开关：静态特性好，动态特性差（几十ms） 几百万/秒 半导体开关：静态特性较差，动态特性好 几千万/秒
RL 3.6 iE1
R2 1.6k 1 T1 1.4 0.7 R3 1k T2
Y
0V
iB4
D RL Y vo 0.3 T
3
拉电流 负载
灌电流 负载
TTL逻辑门电路 一、简易TTL与非门
1.1 两管单元TTL与非门结构
与非门
A 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 O 1 1 1 1 1 1 1 0
(设β1 ~ 4 = 20)
I BS2 因为 iB2 0.74 mA , 则 iB2 正常的逻辑运算 T2 饱和的假设成立 19
工作原理
uI UIH 3.6 V
R1 4k 2.1 A 3.6 iI u E1
+VCC(5V) R4 R2 130 1.6k +VC T iB1 1 4 ICS2 C 1.4 T D RL 2 T1 Y iB2 iE2 uo 0.3 0.7 T3 iB3 R3 1k iR3 灌电流 负载
iB 0
iC 0
uO VCC 12 V
+ 3V 2.3 k -2V
Rb i B
T
100
+ uo
uI
( 2) uI UI H 3 V
发射结正偏 T 导通
放大还 是饱和？
( 2) uI UI H 3 V
饱和导通条件：
VCC iB I BS Rc
若外接负载 RL ： I CS3 I BS3
T3 的饱和程度 uO
TTL反相器的基本电路
+VCC(5V)
电路特点 1. 采用输入级以提高工作速度
首先，输入为高电平（3.6V） 当输入下跳变时（3.6V0.2V）3.6V u
R1 2.1 4k A 0.9
I
R2 1.6k 1 1.4 5 T2 0.7
=(5-0.7-0.7)=3.6V
输出为高电平
工作原理
( 2) uI UIH 3.6 V
假设 T1 导通
+VCC(5V) R1 4.3V 4k 2.1V A uI R2 1.6k T1 R3 1k T2
uB1 ( 3.6 0.7)V 4.3V
3.6 V
R4 130 T4
≥1
3V 0 V 3 V uA 3
Y
或门（OR gate)
双极型晶体三极管(BJT)的基本特性
一、静态特性 (电流控制型)
1. 结构、符号和输入、输出特性 (Transistor) (1) 结构
集电极 collector N 基极 集电结 发射结
(2) 符号 iB b c iC e NPN
base
Rc Rb i B iC
+VCC +12V
2 k
uI uBE iB ( uBE 0.7 V) Rb
3 0.7 mA 1 mA 2.3
+ 3V 2.3 k -2V
T
100
+
uo
uI
I CS VCC UCES VCC 12 I BS mA 0.06 mA Rc 100 2 Rc
(4) 输出特性
iC f ( uCE ) iB
饱 3和 区
2
50 µ A
40µ A 放大区 30 µ A 20 µ A 10 µ A 截止区
2 4
1 0
iB = 0 u /V CE
6 8
2. 开关应用举例
(1) uI UI L 2 V
发射结反偏 T 截止
+VCC (12V) Rc 2 k iC
二极管与门电路
真值表 +VCC
YR 0 0 0 uY 0 1
+10V
电压关系表 u A / V u B/ V 0 0 3 3 & 0 3 0 3
A B D1 0 0 3V 3 V uA 0 0 D21 1 0 3 0 V uB 0V 1 1 Y = AB 符号:
UD = 0.7 V
D1 导通 导通 截止 导通
TTL反相器的基本电路
电路组成
D1 — 保护二极管 防止输入电压过低。
当 uI < 0.5 ~ 0.7 V 时， A uI R1 4k R2 1.6k T2 +VCC(5V)
R4 130 T4
DY T3
D1 导通， uI 被钳制在 0.5 ~ 0.7 V，不可能继 续下降。
UIH uBE 5 0.7 iB mA 1 mA Rb 4.3 VCC 5 I BS mA 0.17mA Rc 30 1
T
β = 30
+ uO
-
因为 iB I BS 所以 T 饱和
饱和导通条件: iB I BS
uO U OL 0.3 V
非门电路 ─ 三极管反相器
T1 倒置放大状态 T2 饱和，T4 、D 均截止
T3 的工作状态：导通
iB3 iE2 iR3 2.54 mA
放大还是 iE2 iB2 I CS2 3.24 mA 饱和？ uE2 0.7 i R3 0.7 mA R3 1
又因为 T4、D 均截止，即
I CS3 0 、I BS3 0（无外接负载） 所以 iB3 I BS3 T3 深度饱和：uO = UCES3 ≤ 0.3V
假设 T2 饱和导通
T1
iB2 1.4V
uC2 uCES2 uBE3 1 V
T4 、D 均截止
0.7V R3 思考： 1k D 的作用？
I CS2
I可以 VCC uC2 若无 D ，此时 T I BS2 4 CS2 0.125 mA 2.5 mA 2 R2 导通，电路将不能实现
半导体二极管的开关特性
二极管的开关作用：
[例] 电路如图所示，
+
0.7 D DV
-
uI 2 V 或 3 V
试判别二极管的工作 状态及输出电压。 [ 解]
+
-
uI
+
uO
-
uI U I L 2 V 二极管截止
uO = 0 V uO = 2.3 V
uI U I H 3 V 二极管导通
D Y uo
则 T1 的集电结和 T2、T3 的发射结(3 个 PN 结)导通
uB1 ( 3 0.7)V 2.1 V
uC1 uB 2 1.4 V uE2 uB3 0.7 V
1.4V 0.7V
T3
注意：T1 正常放大时 :发射结正偏，集电结反偏，即 uC> uB > uE
现在 : uE> uB > uC ，即 i 0.02 i b 发射结反偏 倒置放大 18β )i i ce = βi ib i ec =(1+ 集电结正偏 i b
逻辑关系 +VCC +5V Rc
1 k
电压关系表 uI/V 0 5
+ uO
真值表 A 0 1 符号 A 1 Y Y 1 0
iC + uI -
A Rb
iB
Y
uO/V 5 0.3
4.3 k
T
β = 30
-
函数式
YA
TTL逻辑门电路
TTL逻辑门是指输入端和输出端都用双极 型晶体三极管的集成电路(称为晶体管—晶 体管逻辑门或三极管—三极管逻辑门)。
A B C
VCC
R1 B1
R2 VO B2 T1 T2
两管单元TTL与非门
T1 是多发射极三极管，可以看成由三个三极管的基极 并接以及三个集电极并接而成，由共同的基极控制，分 析电路时每一个发射极均可当成一个三极管来分析。
状态 iB / µ A 放大 饱和 临界
iB f ( uBE ) uCE
截止 iC / mA
4
0
条 件 发射结正偏 i C= iB 集电结反偏 uCE 1V i C ＜ iB 两个结正偏 I CS= IBS uBE /V 两个结反偏 iB ≈ 0, iC ≈ 0
电流关系 u CE 0
因为 D1 只起保护作用，不 参加逻辑判断，为了便于分析， 今后在有些电路中将省去。
T1 D1
R3 1k
uo
输入级
中间级
输出级
TTL反相器的基本电路
R1 R2 4k 1.6k 5V (1) vI = VIL=0.2V（低电平） 0.9V iC1 A T1的发射结导通：vB1 = 0.9V T2 T 1 0.2V vI VCC vB1 iB1 1.02 mA > 0.2V 0V R
工作原理 T1 倒置放大状态
uI UIH 3.6 V
R1 4k 2.1V A uIiE1 3.6 V R2 1.6k iB1
+VCC(5V) R4 1V 130 ICS2 T4 D T 0.3V 2 Y uo T3
VCC uB1 iB1 0.725 mA R1 iB 2 (1 i )iB 1 0.74 mA
本 节 学 习 要 点 和 要 求
掌握简易TTL与非门工作过程 掌握典型TTL与非门工作过程 知道TTL与非门的带负载能力 掌握TTL与非门的电压传输特性 理解TTL与非门部分参数的意义 掌 握 O C 门 及 三 态 门 的 功 能
基本逻辑门电路
1 二极管与门电路 2 二极管或门电路 3 非门电路 ─ 三极管反相器