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2.4 TTL门电路

2013-03-19 18:45阅读：

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　　　　　　　　　　　　　　　　2.4 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， 2.4 <wbr>TTL门电路。
2.4 <wbr>TTL门电路
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。
　　AB段: 当Vi<0.6v时，Vb1<1.3v，T2和T5管截止，T4导通，输出为高电平VoH=Vcc－　VR2－Vd2－Vbe4 3.4v，故AB段称为截止区。
　　 BC段: 当0.7
　　 CD段:当1.3v
　　 DE段: Vi大于1.4v以后，Vb1被箝位在2.1v，T2和T5管均饱和，Vo=Vces5=0.3v,故DE段称为饱和区
2．几个重要参数
　　 （1） 输出高电平电压VOH——在正逻辑体制中代表逻辑“1”的输出电压。VOH的理论值为3.6V，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4V。
　　 （2）输出低电平电压VOL——在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。VOL的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4V。
　　 （3）关门电平电压VOFF——是指输出电压下降到VOH（min）时对应的输入电压。即输入低电压的最大值。在产品手册中常称为输入低电平电压，用VIL（max）表示。产品规定VIL（max）=0.8V。
　　 （4）开门电平电压VON——是指输出电压下降到VOL（max）时对应的输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压，用VIH（min）表示。产品规定VIH（min）=2V。
　　 （5）阈值电压Vth——电压传输特性的过渡区所对应的输入电压，即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。		 2.4 <wbr>TTL门电路
三、输入端噪声容限
　　 TTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为噪声容限。低电平噪声容限VNL是指在保证输出高电平的前提下，允许叠加 2.4 <wbr>TTL门电路在关门电平VOFF上的最大正向干扰电压。高电平噪声容限VNH是指在保证输出低电平的前提下，允许叠加在 2.4 <wbr>TTL门电路开门电平上的最大负向干扰电压。
 2.4 <wbr>TTL门电路
2.4.2 TTL反相器的静态输入特性和输出特性
　　 为了正确的处理门电路与门电路、门电路与其它电路之间的连接问题，必须了解门电路输入端和输出端的伏安特性，也就是通常所说的输入特性和输出特性。
　　 一、 输入特性
　　 当Vi 2.4 <wbr>TTL门电路 随Vi的增大，iI的绝对值随之略有减小，当Vi升至1.4v时，T2管和T5管都导通，iI随VI的增大而迅速减小，iR1中的绝大部分经T1管的bc结流入T2管的基极。当Vi大于VT以后，iI转为正方向。当VI=VIH=3.4v时，此时的输入高电平电流iIH约为40mA。
　　 二、 输出特性
　　 1.低电平输出特性(灌电流)
　　 输出为低电平时，门电路输出端的T5管饱和导通而T4管截止。由于T5管饱和导通时c-e间的电阻很小（10以内），所以负载电流iL增加时VOL仅稍有升高。如下图所示，一定范围内基本为线性关系。低电平最大输出电流
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2.4 <wbr>TTL门电路
　　2.高电平输出特性（拉电流）
　　 Vo=VOH时，T4管工作在射极输出状态，电路的输出阻抗很低。当负载电流较小情况下，负载电流变化时VOH变化很小；当负载电流的进一步增加，R4上压降也随之加大，使T4的bc结变为正向偏置，T4进入饱和状态，T4失去射极跟随功能，因而VOH随iL的增加而迅速下降。一般器件手册所给的高电平最大输出电流 IOH到0.4mA
　　　 2.4 <wbr>TTL门电路
　　3、带负载能力
　　（1）灌电流负载——当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。当负载门的个数增加，灌电流增大，会使T3脱离饱和，输出低电平升高。因此，把允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电流IOL，产品规定IOL=16mA。
由此可得出输出低电平时的扇出系数
　　 2.4 <wbr>TTL门电路
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　　（2）拉电流负载——当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉出,流至负载门的输入端。拉电流增大时，RC4上的压降增大，会使输出高电平降低。因此，把允许拉出输出端的电流定义为输出高电平电流IOH。产品规定:IOH=0.4mA。
由此可得出输出高电平时的扇出系数
　　一般NOL≠NOH，常取两者中的较小值作为 2.4 <wbr>TTL门电路门电路的扇出系数，用NO表示。
　　例2.4.1 如图电路，已知 74S00门电路GP参数为：IOH/IOL=1.0mA/-20mA，
IIH/IIL=50μA/-1.43mA ，试求门GP的扇出系数N是多少？若将电路中的芯片改为74S20，其门电路参数同74S00，问此时P0的扇出系数又为多少？
　　解：（1）对门P输出的高、低电平情况分别进行讨论。 门P输出的低电平时，设可带门数为NL： 　 2.4 <wbr>TTL门电路 2.4 <wbr>TTL门电路
　　　 2.4 <wbr>TTL门电路
　　　门P输出的高电平时，设可带门数为NH：
　　　　　 2.4 <wbr>TTL门电路　　　　 2.4 <wbr>TTL门电路
　　扇出系数=10
　　 （2）74S20为4输入与非门，门P输出的低电平时，设可带门数为NL：
　　　　 2.4 <wbr>TTL门电路 　　　 2.4 <wbr>TTL门电路
　　　门P输出的高电平时，设可带门数为NH：
　　　 2.4 <wbr>TTL门电路 　　　　　 2.4 <wbr>TTL门电路

　　三、 输入端负载特性
　　 输入低电平时，输入端串接电阻的影响。当串接电阻小于 时，能可靠实现输入低电平；当串接电阻远大于 2.4 <wbr>TTL门电路时，应视为输入高电平。		 2.4 <wbr>TTL门电路
　　四、TTL反相器的动态特性
　　 TTL传输延迟时间如图2-5，由于晶体管的结电容和输入、输出端的寄生电容使输出波形发生了畸变和延迟。
传输时间的计算一般是由输入波形上升沿的50% 幅值处到输出波形下降沿50% 幅值处所需要的时间，称为导通延迟时间tPHL；而从输入波形下降沿50% 幅值处到输出波形上升沿50% 幅值处所需要的时间，称为截止延迟时间tPLH。通常tPLH＞tPHL。两者的平均值称为平均传输延迟时间tpd，即 2.4 <wbr>TTL门电路
　　　 2.4 <wbr>TTL门电路
　　　tpd越小，电路的开关速度越高。一般TTL与非门的tpd = 10ns～40ns。 2.4 <wbr>TTL门电路
2.4.3其他类型的TTL门电路
一、其他逻辑功能的门电路
为了便于实现各种不同的逻辑函数，在门电路的定型产品中除了反相器以外还有与门、或门、与非门、或非门、与或非门和异或门几种常见的类型。尽管它们的逻辑功能各异，但输入端、输出端的电路结构形式与反相器基本相同，因此前面所讲的反相器的输入特性和输出特性对这些门电路同样适用。
二、集电极开路门（OC）
在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，称为线与。普通的TTL门电路不能进行线与。解决这个问题的方法就是把输出极改为集电极开路的三极管结构。集电极开路输出的门电路称为OC门, OC门的电路结构和逻辑符号如图2.4.16。
OC门电路在工作时需外接负载电阻和电源。
2.4 <wbr>TTL门电路
OC门主要有以下几方面的应用：1．实现线与
如图2.4.17电路所示，逻辑关系为 2.4 <wbr>TTL门电路:2．用做驱动器。
如图是用来驱动发光二极管的电路。
2.4 <wbr>TTL门电路
　　3． OC门应用--电平转换器
　　 OC 门作为TTL电路可以和其它不同类型不同电平的逻辑电路进行连接。图（a）CMOS电源电压VDD = 5V时，一般的TTL门可以直接驱动CMOS门。图（b）CMOS电路的VDD = 5V～18V，特别是VDD>VCC时，必须选用集电极开路（OC门）TTL电路。
2.4 <wbr>TTL门电路
　　OC门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：（1）当输出高电平时，
RP不能太大。RP为最大值时要保证输出电压为VOH（min）。
由： 2.4 <wbr>TTL门电路,VCC-VOH（min）= IIHR P（max）得：
　　（2）当输出低电平时
RP不能太小。RP为最小值时要保证输出电压为VOL（max）。

　　 由：得：		 2.4 <wbr>TTL门电路 2.4 <wbr>TTL门电路 所以： 2.4 <wbr>TTL门电路

2.4 <wbr>TTL门电路
　　三、三态输出门（TSL）
　　　　 1．三态输出门的结构及工作原理。
　　　　 当EN =0时，G输出为1，D1截止，相当于一个正常的二输入端与非门，称为正常工作状态。
　　　　 当EN =1时，G输出为0，T4、T3都截止。这时从输出端L看进去，呈现高阻，称为高阻态，或禁止态。
　　　 2.4 <wbr>TTL门电路
　　　2．三态门的应用：
　　　 （a）组成单向总线——实现信号的分时单向传送。
　　　 （b）组成双向总线，实现信号的分时双向传送。
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