TTL反相器的工作原理及传输特性

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。
　　输出电压为v_O＝V_cc－V_BE4－V_D＝（5－0.7－0.7）V＝3.6V
　　同样也实现了反相器的逻辑关系：输入为低电平时，输出为高电平。

2.采用输入级以提高工作速度

　　当TTL反相器输入电压由高（3.6V)变低（0.2V）的瞬间，V_B1 ＝（0.2＋0.7）V＝0.9V。但由于T₂、T₃原来是饱和的 ，它们的基区存储电荷还来不及消散，在此瞬间，T₂、T3的发射结仍处于正向偏置，T₁的集电极电压为V_c1 ＝V_BE2＋V_BE3＝（0.7＋0.7）V＝1.4V。
　　此时T₁的集电结为反向偏置［集电结电压＝V_B1－V_C1＝(1－1.4)V＝-0.4V］，因输入为低电平（0.2V）时，T₁的发射结为正向偏置,于是T₁工作在放大区。这时产生基极电流i_B1，其射极电流流入低电平的输入端。集电极电流的方向是从T₂的基极流向T₁的
集电极，它很快地从T₂的基区抽走多余的存储电荷，使T₂迅速地脱离饱和而进人截止状态。T₂的迅速截止导致T₄立刻导通，相当于T₃的负载是个很小的电阻，使T₃的集电极电流加大，多余的存储电荷迅速从集电极消散而达到截止，从而加速了状态转换。

3.采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力

　　由T₃、T₄和二极管D组成推拉式输出级。其中T₄组成电压跟随器，而T₃为共射极电路，作为T₄的射极负载。这种输出级的优点是，既能提高开关速度，又能提高带负载能力。根据所接负载的不同，输出级的工作情况可归纳如下：
　　（1）输出为低电平时，T₃处于深度饱和状态 ，反相器的输出电阻就是T₃的饱和电阻，这时可驱动较大的电流负载。而且由于T₄截止
，所以负载电流就是T₃的集电极电流，也就是说T₃的集电极电流可以全部用来驱动负载。
　　（2）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，所以输出高电平稳定，带负载能力也较强。
　　（3）输出端接有负载电容C_L时 ，当输出由低电平跳变到高电平的瞬间，T₂和T₃由饱和转为截止，由于T₃的基极电流是经T₂放大的电流，所以T₂比T₃更早脱离饱和，于是T₂的集电极电压v_C2比T₃的集电极电压v_C3上升更快。同时由于电容C_L两端的电压不能突变，使c₂和c₃之间的电位差增加，因而使T₄在此瞬间基极电流很大，T₄集电极与发射极之间呈现低电阻 ，故电源V_CC经R_C4和T₄的饱和电阻对电容C_L迅速充电，其时间常数很小，使输出波形上升沿陡直。而当输出电压由高变低后，输出管T₃深度饱和，也呈现很低的电阻，已充电的C_L通过它很快放电，迅速达到低电平，因而使输出电压波形的上升沿和下降沿都很好。

三、TTL反相器的传输特性

　　现在来分析TTL反相器的传输特性。下图为用折线近似的TTL反相器的传输特性曲线。由图可见 ，传输特性由4条线段AB、BC、CD和DE所组成。

　　AB段：此时输入电压v_I很低，T₁的发射结为正向偏置。在稳态情况下，T₁饱和致使T₂和T₃截止，同时T₄导通。输出v_o＝3.6V为高电平。
　　当v_I增加直至B点 ，T₁的发射结仍维持正向偏置并处于饱和状态
。但v_B2＝v_c1增大导致T₂的发射结正向偏置 。当T₁仍维持在饱和状态时，v_B2的值可表示为 v_B2＝v_I＋V_CES
　　为求得B点所对应的v_I,可以考虑v_B2刚好使T₂的发射结正向偏置并开始导电。此时v_B2应等于T₂、发射结的正向电压V_F≈0.6V。但i_E2≈0在忽略v_Re2。的情况下，于是由上式得：

　　BC段：当v_I的值大于B点的值时，由T₁的集电极供给T₂的基极电流
，但T₁仍保持为饱和状态 ，这就需要使T₁的发射结和集电结均为正向偏置。
　　在BC段内，T₂对v_I的增量作线性放大，其电压增益可表示为

　　电压增量上通过T₄的电压跟随作用而引至输出端形成输出电压的增量，且在一定范围内，有，所以传输特性BC段的斜率为 。必须注意到在BC段内，R_e2上所产生的电压降还不足以使T₃的发射结正向偏置，T₃仍维持截止状态。
　　当R_e2上的电压v_Re2达到一定的值，能使T₃的发射结正偏，并有v_BE3=V_F=0.7V时，则有

　或

　　式中V_F＝0.7V，表示T₃已导通。由于,C点处的输出电压变为

　　根据线段BC的斜率为-1.6，对应于C点的v_I值可由下述关系求得：

　　由此得

　　CD段：当v_I的值继续增加并超越C点，使T₃饱和导通,输出电压迅速下降至v₀≈0.2V。D点处的v_I(D)值,可以根据T₂、T₃两发射结电压V_F≈0.7V来估算。因此有

　　DE段：当v_I的值从D点再继续增加时，T₁将进人倒置放大状态,保持v_O＝0.2V。至此，得到了TTL反相器的ABCDE折线型传输特性。