三种开关形态——解构TTL反相器

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今天这篇文章比较长，对要求学习门电路结构和原理的相关专业同学可能有用（有的专业不要求，会用逻辑符号就可以了）。算是完成一个任务吧，下次登录估计又很久以后了。

本文以TTL反相器的电路构成为基础，介绍TTL电路的三种开关形态，也就是三种开关应用形式，这虽然是一种非正式归纳，但易于理解，这种方法将有助于快速分析和掌握各类TTL门电路。全文稍长，约4000字。

1.从基本门电路（反相器）分型

TTL反相器是一种基本电路结构，包含输入级、中间级（常称为倒相级）和推拉输出级，如图1所示。该电路最终实现$Y=\bar{A}$，其中，电源电压$V_{CC}=5\mathrm{V}$，各电阻参考值为$R_1=4\mathrm{k}\Omega$、$R_2=1.6\mathrm{k}\Omega$、$R_3=1\mathrm{k}\Omega$、$R_4=130\Omega$，作为标准TTL电路，本文设低电平约为0.2V，高电平约为3.5V。

这三级电路实际上构成了不同的开关形态。首先从中间（倒相）级说起。

2.反相开关型（倒相级）

反相开关型电路，以上一篇文章（此处加链接）介绍过的基本共射极开关电路为基础，结合其在图1所示电路中的位置及前后关系，略做修正，如图2所示。其中，后级电路的三极管T5对该形态的影响，在于其发射结是否导通，故图中用二极管代替。

我们知道，硅管PN结的导通压降约为0.7V，图2中，若$u_{B2}<0.7\mathrm{V}$，则T2、T5均截止，此时$u_{C2}$为高电平，电压接近5V。

当$0.7\mathrm{V}<u_{B2}<1.4\mathrm{V}$时，因$R_3$的存在，T2将导通，且随着基极电流$i_{B2}$的增大，T2逐步由放大状态向饱和状态趋近，在这一过程中，集电极电压$u_{C2}$逐步降低，发射极电压$u_{E2}$逐步提高，这就是所谓的“倒相”过程。

当$u_{E2}$升至0.7V，即$u_{B2}$达到1.4V时，T2、T5同时导通且进入饱和状态，饱和导通电压$u_{CES2}\approx 0.2\mathrm{V}$，T2集电极电压$u_{C2}$降至$u_{CES2}+0.7\mathrm{V}=0.9\mathrm{V}$，与其相接的后级电路T4管将截止。
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注：关于饱和导通电压的数值，不同教材资料给出了0.1~0.3V的不同取值，就理论分析来说均可接受。受三极管饱和状态的深浅影响，标准TTL电路，$V_{CC}=5\mathrm{V}$条件下，三极管刚开始进入饱和状态时，$u_{CE}=0.6\sim 0.7\mathrm{V}$，而在极深度饱和情况下，$u_{CE}<0.1\mathrm{V}$，接近于0，所以一般情况下，我们不妨取$u_{CES}=0.2\mathrm{V}$，与第1节设定的低电平一致。
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3.推拉输出型

如图3所示，两个NPN三极管T4、T5和二极管D构成推拉输出型结构，其作用是提高整体电路的驱动能力和稳定性，并将输出高、低电平标准化。特别需要指出的是，不可将该结构（也称图腾柱电路）与模拟电子技术中的互补推挽电路混淆，后者是由两个互补的三极管构成（NPN和PNP），常用于功率放大并提升效率。

在该开关形态中，理论上任意时刻T4、T5只有一个导通，但实际上有一个非常短暂的共同导通时间（见下文说明）。输出高、低电平的变化与前级反相电路T2的导通状态有关，图3中，将T2等效为一个开关，两端代表其集电极和发射极，分别与T4、T5的基极相接。

由上一节可知，当$u_{B2}$达到1.4V时，T2、T5同时导通，由于T2发射极接到T5基极，致T5深度饱和，故$u_o=u_{CES5}\le 0.2\mathrm{V}$，电路输出为低电平，所接负载$R_L$被称为灌电流负载，如图4所示。此刻T4和二极管D必然截止，这是因为T2饱和导通，$u_{CES2}\approx 0.2\mathrm{V}$，则$u_{B4}=u_{CES2}+u_{B5}=0.2\mathrm{V}+0.7\mathrm{V}=0.9\mathrm{V}$，而$u_{C5}=0.2\mathrm{V}$，所以，T4发射结和二极管D上的总压降为$u_{B4}-u_{C5}=0.7\mathrm{V}$，显然无法导通。这也间接说明了二极管D的作用就是确保T5导通时T4截止。

T2基极电压未达到1.4V时，T5截止，T2或截止（$u_{B2}<0.7V$）或处于放大状态，两种情况下，T4均通过$R_2$通路获基极电流，使T4和二极管D导通，形成了一个射极跟随器，输出电压$u_o\approx u_{B4}-u_{BE4}-u_D=u_{B4}-1.4\mathrm{V}$。若$u_{B2}<0.7\mathrm{V}$，T2、T5同时截止，$R_2$上电压很小（约0.1V），则$u_o\approx u_{B4}-1.4\mathrm{V}=5\mathrm{V}-0.1\mathrm{V}-1.4\mathrm{V}=3.5\mathrm{V}$。即使$0.7\mathrm{V}<u_{B2}<1.4\mathrm{V}$期间，T2处于放大状态，因其集电极电流较小（基极电流非常小所致），$R_2$上电压也不大， $u_{B4}$降低不多，仍可确保$u_o$为高电平。高电平输出时的负载$R_L$称为拉电流负载，如图5所示。

需要说明的是，对该型电路，当T5导通，T4会立刻截止，但当T4开始导通时，T5不能立即关断（截止），因为T5要从深度饱和状态过渡到截止状态，这一过程有一个恢复时间（电荷存储效应所致，可参考上一篇文章）。所以，实际上存在一个短暂的两管共同导通时间，这是TTL电路电源尖峰电流产生的根本原因，也是传输延迟增加从而影响电路工作速度的一个重要因素。

补充一个知识点：为了让T5快速关断，就须降低其导通时的饱和深度（进入浅饱和状态），这通常使用抗饱和三极管（即肖特基钳位三极管）来实现。事实上，其他不同系列的TTL电路都使用了抗饱和三极管，它由普通三极管和肖特基势垒二极管（SBD）组成，如图6所示。SBD的开启电压约为0.3 ~ 0.4V，起到对$u_{BC}$的钳位作用，这使抗饱和管的饱和导通电压维持在0.3 ~ 0.4V，不会进入深度饱和。

4.射极输入型

TTL门电路的输入级都是射极输入型开关电路，如图7所示，开关管T1的工作状态须考虑后级电路，即T2和T5的两个发射结是否导通，我们不妨用PN结模型表示T2，用二极管表示T5对T1的作用。

图7中，电阻$R_1$和T1发射结上的压降为电源电压$V_{CC}$和输入电压$u_i$的差值。当输入为低电平，即$u_i=0.2\mathrm{V}$时，T1发射结必导通，且基极电位被钳位在$u_{B1}=u_i+0.7\mathrm{V}=0.9\mathrm{V}$，后级的T2和T5发射结处于截止状态。同时，T1集电极回路电阻为$R_2$和T2集电结反向电阻之和，阻值极大，所以T1集电极近似断开，输入端电流$i_{iL}$由基极流向发射极，近似等于基极电流。

当提升输入电压至$u_i=1.4\mathrm{V}$时，T1发射结继续导通，$u_{B1}=2.1\mathrm{V}$，达到了T1集电结和T2、T5两个发射结共3个PN结的导通电压，使得T1集电结和T2、T5同时导通。显然，$u_i=1.4\mathrm{V}$是输入信号引起后级电路状态变化的临界点。

当输入电压继续增大，使$1.4\mathrm{V}<u_i<2.1\mathrm{V}$时，因3个PN结导通使得$u_{B1}$被钳位在2.1V保持不变，后级电路T5导通（T4截止）状态得到强化。

当输入电压增大至$u_i>2.1\mathrm{V}$时，$u_{B1}$继续被钳位在2.1V保持不变，后级电路状态不变。此时，三极管T1开始处于倒置放大状态（发射结反偏，集电结正偏），倒置应用时电流放大倍数很小（β≪1），所以，输入信号为高电平时，输入端电流$i_{iH}$非常小（10μA级），由发射极流向基极。

以上三种开关形态，虽然每一型电路都要受前后级的影响，但各自结构和作用独特，易于识别，将为复杂电路分析带来极大便利。下面再来分析一下TTL反相器的工作过程。

5.TTL反相器的工作原理

为方便阅读，重作TTL反相器电路如图8所示。

⑴输入信号为低电平（A=0）

输入信号为低电平，$u_i=0.2\mathrm{V}$时，T1发射结导通，$u_{B1}=u_i+0.7\mathrm{V}=0.9\mathrm{V}$，基极电流几乎全部流向发射极（形成输入电流$i_{iL}$）， T2发射结不能导通，T2、T5都处于截止状态。因T2截止，T4基极电压$u_{B4}=u_{C2}$为高电平，使T4和二极管D导通。所以，T4导通，T5截止，反相器稳定输出高电平，$u_{R2}\approx 0.1\mathrm{V}$，则$u_{B4}=4.9\mathrm{V}$，$u_o=u_{B4}-1.4\mathrm{V}=3.5\mathrm{V}$，实现了$Y=\bar{A}=1$。

低电平输入电流估算可达mA级，例如按照文中所给$R_1=4\mathrm{k}\Omega$来计算， $i_{iL}\approx i_{B1}=1\mathrm{mA}$，注意其流向是由T1基极流向发射极。

⑵输入信号为高电平（A=1）

输入信号为高电平，$u_i=3.5\mathrm{V}$时，如第4节所述，T1集电结和T2、T5同时导通，因基极电压$u_{B1}$被钳位在2.1V，T1处于倒置放大状态。T2、T5工作在饱和状态，如第3节所述，$u_{B4}=u_{CES2}+u_{B5}=0.9\mathrm{V}$，T4和二极管D截止。所以，最终输出低电平，$u_o=u_{CES5}\approx 0.2\mathrm{V}$，实现了$Y=\bar{A}=0$。

由于T1倒置，高电平输入电流$i_{iH}$由发射极流向基极，一般小于40μA。

⑶关于过渡过程

输入电压介于高、低电平之间的情况比较复杂，从应用角度来说，输入信号的高、低电平转换是一个非常快速的过程，我们只需要重点关注临界点在哪里，以及临界点前后的输出状态变化情况。这样，问题就转向了TTL反相器的电压传输特性，可通过图9所示输出电压随输入电压变化的特性曲线来说明。

结合上文分析，当$u_i<0.6\mathrm{V}$时，$u_{B1}<1.3\mathrm{V}$，T2、T5截止，T4导通，反相器输出为高电平，$u_{oH}\approx 3.5\mathrm{V}$，如图9中AB段所示。

当$0.7\mathrm{V}\le u_i<1.3\mathrm{V}$时， $1.4\mathrm{V}\le u_{B1}<2\mathrm{V}$，T1集电结与T2导通，但T5依旧截止。此时，T2工作在放大区，随着$u_i$的逐步升高，$u_{C2}$随之近似线性降低，T4的导通状态不受影响，其射极输出电压跟随$u_{C2}$下降，但保持在高电平范围内，反相器输出如图9中BC段所示。

当$u_i$达到1.4V，$u_{B1}=2.1\mathrm{V}$，T1集电结、T2、T5全部导通。此刻，$u_i$的微小增长，将使T2快速饱和，T5进入深度饱和状态，$u_{C2}$拉低至约0.9V，T4和二极管D截止，反相器输出快速变为低电平， $u_{oL}\approx 0.2\mathrm{V}$，这一过程如图9中CD段所示。

当$u_i>1.4V$并继续上升时，$u_{B1}=2.1\mathrm{V}$不变，T4截止、T5导通，输出保持低电平，如图9中DE段所示。

由以上过程可知，输入信号增至1.4V以上或降至1.4V以下，输出电平将由高到低或由低到高翻转。因此， $U_T=1.4\mathrm{V}$是标准TTL反相器的阈值电压（其他系列TTL反相器的阈值电压略低于1.4V）。

⑷输出特性（负载的影响）

输出高电平时，T5截止，T4和二极管D构成射极跟随器，而射随器输出电阻很小（几十欧姆），所以，如果负载电流$i_L$较小，则其变化对输出电压$u_{oH}$影响很小。但如果$i_L$增加较多，$R_4$上的压降也随之增加，将可能导致T4集电结正偏，从而使其进入饱和状态，射极跟随功能将丧失，$u_o$将会随$i_L$的增加近似线性下降，致不能保持高电平或驱动能力严重下降。事实上，考虑功耗因素在内，手册给出的标准TTL电路高电平输出时的负载条件是：最大负载电流不超过0.4mA，这个指标不影响射随功能，也完全满足实际的负载能力要求。

输出低电平时，T5饱和，T4截止。T5的饱和导通内阻很小，约几个欧姆，所以负载电流$i_L$增加时，输出电压$u_{oL}$仅略有上升，影响甚小。对标准TTL电路，低电平输出时，要求负载电流不超过16mA。

⑸电平范围及噪声容限

从上文分析可知，在实际应用中，高、低电平不可能严苛到某一个电压值，一定有一个合理的范围，在此范围内电路正常工作即可。图10和图11分别为5V电源电压条件下，输入电平和输出电平的取值范围示意图。

标准TTL电路，输入低电平最大值为0.8V，输入高电平最小值为2V，输出低电平最大值为0.4V，输出高电平最小值为2.4V。

对多级电路，前级输出电平和后级输入电平必须匹配，于是提出两个概念：一个是衡量负载能力的扇出系数，以后再讨论；另一个就是噪声容限，即在保证输出高、低电平基本不变的条件下，输入电平的允许波动范围，如图12所示。

其中，输入为高电平的噪声容限$U_{NH}=U_{OH(min)}-U_{IH(min)}$，输入为低电平的噪声容限$U_{NL}=U_{IL(max)}-U_{OL(max)}$。

这里指的是直流噪声容限。在交流工作情况下，由于负载电容和分布电容对窄脉冲具有平滑作用，使得TTL门电路的交流噪声容限远高于直流噪声容限。

本文内容必然包含集成门电路的部分概念和TTL电路的一些常识问题，希望对同学们有所帮助，限于篇幅，相关题型不再列举。

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