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3.3 TTL反相器的输入输出特性
本次重点内容： TTL反相器的电压传输特性 教学过程
一.工作原理
TTL反相器的电路如图1所示，当输入端为高电平时，的BE结都不导通，而BE结相当于一个正向导通的二极管，给 提供基极电流，使 导通，进而 导通，和 截止，输出低电平。~ 各极电位如下表所示。
图2-1 TTL反相器的电路图
当输入端为低电平（0.3V）时，中的BE结导通，的基极电位为 V+0.7V=1V，它不能使 的BC结和 的BE结正向导通，因此 和 截止, 和 导通，输出高电平。~ 各极电位如下表所示。
根据表1和表2可列出该电路输入、输出电平关系，因此它是一个非门。
二、TTL反相器的外特性及主要电器参数
了解门电路的外特性，进而理解电路的主要电气参数是正确使用数字集成电路的基础。现仍以TTL反相器为例来讨论门电路的各种外特性以及有关的电气参数。
1.电压传输特性
电压传输特性描述了输出电压与输入电压的函数关系，即。对于图2-1所示的典型反相器，其电压传输性如图2-2所示，其中 是加在多射极晶体管 某个发射极的输入电压，是输入电压。
图2-2 TTL反相器的电压传输特性 电压传输特性分为以下几部分： ① 段（截止区）当 ＜0.6V时，、截止,输出高电平。
② 段（线性区）当0.6V≤ ＜1.3V时，此时 导通，随 升高而下降，经过、两级射随器使 下降。仍截止。
③ 段（转折区）当 ≥1.3V时，随着输入电压略微升高，输出电压急剧下降。这是由于此时 开始导通，尚未饱和，、、和 均处于放大状态，故 稍有提高，均可使 很快下降。所以 的斜率比 段要大的多。通常把电压传输特性曲线上转折区中点所对应的输入电压称为门槛电压（或阈值电压），以 表示。对于典型的TTL反相器，=1.3~1.4V，可以粗略地认为，当 ＜ 时，反相器将截止，输出高电平。
④ de段（转折区）当 ≥1.4V时，2.1V，此时 和 饱和，截止，输出低电平，=3V，且输出电平基本不随 的增大而变化。
由电压传输特性可得反相器的几个重要参数：输出的高电平，输出低电平、关门电平、开门电平、下限抗干扰电压容限、上限抗干电压扰容限 等。
① 和
电压传输特性曲线截止区所对应的输出电压为，饱和区所对应的输出电压为。
② 和 和 是两个很重要的参数。首先引入额定高电平和额定低电平的概念。由于各器件的 和 总存在差异（离散性），通常要规定一个额定值。TTL反相器的额定高电平为3V，额定低电平为0.35V。任何一个实际的反相器只要 ≥3V，≤0.35V，它的这两个参数就是合格的。开门电平 是指输出电平达到额定低电平（0.35V）时，所允许的输入高电平的最小值。通常认为，只有当 ≥ 时，输出才是低电平； ＜ 时，输出将不是低电平。在特性曲线上，是输出电压为0.35V时所对应的输入电压。的典型值为1.4V，一般要求小于1.8V。
关门电平 是在保证输出电压为额定高电平的90%（即2.7V）时，所允许的输入低电平的最大值。通常认为，只有，输出才是高电平，否则将不是高电平。的典型值为1.0V，一般要求大于0.8V。
③ 抗干扰能力 和
一般用噪声容限的数值来表明电路的抗干扰能力。在输入为低电平时，输出应为高电平，如果这时输入端引入了一个正向干扰，当它叠加到输入低电平上，使总和超过 时，就不能保证输出为高电平。输入为低电平时，在保证输出仍为高电平的条件下，所允许的最大正向干扰幅度即为该电路的底电平噪声容限（下限抗干扰电压容限）以 表示。显然有 其中 为输入低电平的上限。
同理，当输入为高电平的下限值 时，在保证输出为低电平的前提下，输入端所允许的最大负向干扰幅度即为该电路的高电平噪声容限（上限抗干扰电压容限），以 表示，从而。
2.输入特性
TTL反相器的输入特性是指输入电流 与输入电压 间的函数关系
。假定电流 由信号源流入 的发射极时方向为正，反之为负。典型TTL反相器的输入特性如下图所示。
图2-3 TTL反相器的输入特性
由输入特性可得参数： ① 输入短路电流 当 时，对应特性曲线上的Ｍ点，该电流称为输入短路电流，记作。若该门的输入端由前级TTL驱动，这个电流将是前级门的灌电流负载之一，它将流入前级门的 管。
② 反向漏电流
当 时，流入 管，且，该电流称为反向漏电流，记作。它是输入端为高电平时从该输入端流入 的电流，由前级门的输出级供给。
必须注意的是，当 Ｖ时，管的CE结将会被击穿，使 猛增。另外，当 ≤-1V时，的BE结也可能被烧坏。这两种情况下，都会使反相器损坏。因此在使用时，尤其在混合使用电源电压不同的集成电路时，应采取相应措施，将输入电平钳制在安全工作区域内。
3.输入负载特性
称为输入负载特性，其中 是外接于反相器输入端（即 发射极）的电阻，是由 基极电流流过 时产生的压降，它不是外加电压。TTL反相器输入负载特性及测试方法如图2-18所示。
图2-4 TTL反相器的的输入负载特性
2-18左图可以看出，当 增加时 也增高。当 由时，此时反相器输入电平为关门电平，将此时的 记作（关门电阻）。由此，可以粗略地认为，当 时，输入电平为低电平，反相器截止，输出高电平 ；当 时，将因输入电平高于 而使输出电平降低。愈大，输出电平将愈低，直至。因此，当TTL电路的输入端开路时，认为该输入端接逻辑高电平。通常，TTL电路的多余输入端一般不宜开路，以免引入干扰信号。对多余输入端有三种处理方法：与信号端并接使用；对于要求保持高电平的多余端经一个 的电阻接电源正极；对于要求保持低电平的多余端接地。
图2-6 TTL反相器的低电平输出特性 图2-7 TTL反相器的高电平输出特性 4.输出特性
TTL反相器的输出特性反映了输出电压 与输出电流 的关系，如图2-
6、2-7。图中的电流方向是拉电流为负，灌电流为正。由典型的TTL反相器可知，在输出 为低电平时，随着灌入 的负载电流的增大，的饱和程度将减轻，从而 将略有增大，如图2-19中的CA段所示。此时的输出等效电路如图2-20（a）所示，输出阻抗。当灌入电流达到（约为40mA）后，可能脱离饱和进入放大状态，将增大很多。此时，理应为逻辑0的低电平可能会被抬高到同代表逻辑1的高电平差不多大小，从而引起逻辑上的失效。所以不允许反相器工作在AB段。
图2-8 TTL反相器的的等效输出电路
当反相器截止时，输出为高电平，此时负载电流为拉式电流，输出阻抗
。等效电路如图2-20（b）所示。显然拉电流增大时，将压下降，当
= 时输出电平为。通常不允许 ＞。5.扇出系数
输入特性和输出特性反映了驱动门与负载门之间的相互影响，当门电路级联使用时，必须注意这个问题。通常用扇出系数 来描述门电路驱动同类电路的个数。
由于 ＜＜，故通常有 ＞，即把反相器输出低电平时的管电流负载能力当作反相器的扇出系数。
6.空载功耗
当输出端空载，反相器输出低电平时，电路的功耗称为空载导通功耗，其测试电路如图2-21（a）所示。，为空载导通时的电源电流。
当输出端空载，反相器输出高电平时，电路的功耗称为空载截止功耗，其测试电路如图2-21（b）所示。，为空载截止时的电源电流。
图2-9 TTL反相器的TTL反相器空载功耗
由于
比 大，因此一般用 表示门电路的功耗。7.平均传输延迟时间
在实际逻辑电路中，一级门的输出往往就是下级门的输入。由于晶体管的接通时间 和关闭时间 均不为0，也就是说它们的导通、截止过程都需要一定的时间，所以当TTL反相器的输入信号发生变化时，它的输出不能立即变化，而存在一定的延迟时间，如图2-22所示。图中，输出波形下降沿的50%处（点）与输入波形上沿的50%处（A电）的时间间隔称为导通延迟时间 输出波形上升沿的50%处（点）与输入波形下沿的50%处（B点）的时间间隔称为截止延迟时间。与的平均值称为平均传输延迟时间（简称传输延迟），即
它是衡量门电路开关速度的一个重要指标。典型TTL反相器的 约为10ns。
图2-10 TTL反相器的TTL反相器平均传输延迟时间
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