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这是TTL反相器的内部结构

我们看到在这个电路设计当中

分为三个部分

它有输入级 导向级和输出级

那我们关心这样一个电路

它输入和输出之间

存在怎样的传输特性

因为对于一个数字模块来讲

如果它是一个完成

数字逻辑运算的电路

那我们说它应该要满足

在上边我们曾经提过的

它应该能够输出高质量的0/1

接收低质量的0/1

但是高质量和低质量的0/1

仍然是在整个的

零到VCC的工作范围之内的

那如果我的输入从0

变化到VCC

那我的输出是什么

那如果我们把这个电路

带到实验室你可以选择

相应的信号发生器和示波器

对它的电压传输特性予以观察

在观察电压传输特性的时候

我们知道电压传输特性

描述的是输入在某一个

工作点的时候输出是怎样的

因此我们在选择信号发生器的

波形的时候

应该选择频率较低的

而范围是从0到VCC的

这么一个周期性的信号

而示波器呢

我们应该选择XY档

把它分别加在用于观测

输入A和输出y

来表达它们之间的函数关系

如果按照刚才我们所述的

实验方法

你可以扫描得出TTL反相器

它的电压传输特性如图所示

那么得到这样的一个曲线

我们看到它确实

可以作为反相器来用

所谓反相器就是输入在

低电平的时候

输出是高电平

输入在高电平的时候

输出是低电平

这在图中我们能够找到相应的

工作区域

而且这样的工作区域

还给出来了噪声容限

因为我们发现

它允许输入电压

是在一定范围内变化的时候

我的输出都能够保证

高质量的高电平

或者是高质量的低电平

那么这样在实验室测出来的

这个特性曲线

在电路当中我们怎么来分析呢

我们明确的可以看到

这样的电压传输特性

分为四段

那我们分别对这四段进行分析

第一段AB段

在AB段当中

你能够看到的是

输入在一定范围内变化

输出几乎没有变化

那么AB段对于我们来讲

是输入低电平，输出高电平的段

那我们现在就来看

如果在输入A加入低电平

为什么在一定范围内

输出都没有变化

我们看一下如果输入是0

我们说的0是逻辑0

那么对应到电压值的话

最理想的无外乎就是0伏

那我们从0伏开始

如果A现在输入是0伏

我们看一下T1管

处在什么样的工作状态

这个时候T1管

从它的外部接线来看

我们好像有点不熟悉

因为我们习惯管子是这样待着的

那么没关系

我们假设T1管是这样接的

如果T1管是这样接的话

那我们现在看到的

实际上是A点现在如果是0

那么BE之间

T1管的BE之间

就是VCC和0之间的压差

那显然T1管的发射结

满足了正偏的需要

那我们看T1管另外一个呢

集电结是在什么状态呢

如果对应我们熟悉的

典型的工作状态

集电极应该是通过RC

接在VCC上

而在这个电路当中

T1管的发射结是通过T2管的B端

然后再通过T2管的集电结

接在了VCC上

我们知道T2管的集电结

这样是一个反偏的PN结

换句话讲也就是说

T1管的集电结

通过一个反偏的PN结

上拉到了R2

然后到了VCC

而我们都知道PN结

具有单向导电性

当PN结反偏的时候

也就意味着它等效的

是一个很大的电阻

那也就是说在这个电路当中

出现了一个什么呢

出现了BE结正偏

因为这两点之间的压差

是VCC的5伏和0之间的差

而在这个电路当中的RC

这个时候是一个反向的PN结

加上R2

那如果是这样的一个电路

我们说这个T1管

一定工作在饱和状态

如果T1管工作在饱和状态

那我们回想一下

在饱和状态的时候

有什么样的特点

饱和状态的时候

CE端的压降很低

呈现出来一个饱和导通压降

那如果A端是0伏的话

那这个时候由于T1管的

CE压降很低

那么T2管的基极

也就是T2管的基极

现在连在了T1管的集电极

这个部位的电压是多少呢

这个部位的电压

会是在A的基础上

就是刚才的输入VI

是0伏的基础上

加上0.2V

如果再低0.1V

但是始终只是加一个饱和压降

如果T2管的基极

它的电压现在是在VI的基础上

加上0.2的话

那么A就是VI输入电压

是0伏的时候

这点电压就是0.2V

如果这是0.2V

我们看到T2管和T5管

都没有办法导通

因为这个0.2V

没有办法使T2管导通

因为T2管导通的话

需要T2的BE结要有正偏电压

是0.7伏

所以T2如果不导通

我们看到T5管的这一点电压

R3上面这一点电压

也就是VE2这一点的电压也是零

如果这个地方是零的话

T2 T5管都截止

T2 T5管都截止

这个时候T4管的基极

就会通过R2上拉到VCC

那就是说T4是可以导通的

T4是可以导通的

那么这个时候的输出Y， Vo的值

就会通过上边这半部分

上拉到了VCC

那这时候也就是说

如果收入是0V

我的输出就是一个高电平

上拉到VCC

但是真的有VCC这么高吗

我们看到从VCC到Y之间

要经过T4管的BE极

还要经过T2管这个PN结

那么两个PN结

它的正向导通压降一减1.4伏的话

还剩下3.6伏

除此之外还要减去

在R2上的一个压降

因此这个电压就成了

T4导通的时候

VOH等于VCC减去R2

减去VBE4减去VD2

大约是3.4伏

也就是说当我输入是零的时候

我输出是3.4伏

那好我们清楚的知道了

这个电压传输特性曲线的起点

AB段的起点

输入是零的时候

输出是3.4

那么AB段

刚才我们说了

为什么会在一段输入变化内

都是保持不变

也就是说都是输出3.4伏呢

因为我们看到这么一个现象

如果A输入信号

这个电压值VI

从零开始往上涨

在它上涨的过程当中

由于T1管一直处在饱和导通状态

那么这时候我们会看到

T1管的集电极

这个时候它的电压

会跟随VI的上升而上升

上升多少呢

是在VI的基础上

加上一个饱和导通压降0.2伏

那么如果加上这个饱和导通压降

0.2伏的话

我们会发现你虽然前端有增长

但是我加上这个电压

只要不大过0.7

那么都没有办法改变T2

它现在截止的状态

如果T2截止的状态不改变

T5的截止状态也没有办法改变

所以我的输出仍然是T4导通

输出高电平

因此我最关心的点就成了什么呢

成了说我从0V开始往上升

升到哪一点的时候

我会使得我的T2

从截止到导通

从而推动整个电路的状态转换

那这个点是多少呢

大概就是0.6或 0.7左右

0.6或 0.7我们现在看一下

如果说VI在0.6伏左右

VI如果是在0.6伏左右的时候

那么刚才我们说的T2管的

这个基极会是在0.7到0.8伏

这个时候电路的状态发生转换了

转换成什么呢

转换成这一点的电压

会随着VI的上升接着上升

但是这个上升会带来T2管的导通

那T2管一旦导通

那大家看一下

我最后的这个输出

Y的这个输出就会是

仍然是刚才的这个表达式

没有变化的是

VB1和VD2是没有变化的

VB1仍然是一个0.7

VD2的导通压降

仍然是0.7

但是由于T2的导通

会使得R2上流过的电压增加

在刚才的基础上增加

而增加多少呢

是线性的

因为你T2管刚刚导通

T2管从截止到导通

我们说从截止到导通的时候

这个时候T2管是从截止

进入放大状态

为什么一定是进入放大呢

因为在截止区的时候

你可以看到T2管的发射极

这个时候VE2是0

在截止的时候

而这一点呢VC2

是由于上拉到了VCC

所以CE之间的压差是很大的

CE之间的压差大

就意味着什么

意味着我的集电极是反偏的

那这个时候

如果你T2管导通

你的集电极又反偏

那是不是就进入了一个放大状态

那这时候T2管只要导通

能够提供一份IB2

那么我这边就会增加的

相应的一份IC2

所以就会出现一个线性的下降

这个线性的下降表达成什么呢

大家看就表达成了

从B点开始

BC段

BC段是一个线性区

BC段意味着我的输入电压

已经增加到了0.7伏

那么如果增加到了0.7伏之后

我们说T2管这时候

是可以导通了

这个时候的T2管是刚刚导通

从截止到导通

那么从截止到导通

就意味着它是在放大区

为什么在放大区呢

我们可以看一下T2管

在截止的时候

T2管在截止的时候

原因是因为T2管的BE的压差

不够0.7

不能使它正偏

那也就是说T2的发射结不正偏

但是T2的集电结这个时候

是什么状态呢

在T2截止的时候

我们可以看到VE2是接地的

通过R3接地

这个时候由于没有电流

所以这一点的电压就是0

而VC2这一端

通过R2上拉到了VCC

T2管截止

T2管截止的时候

VC2和VE2之间的压差

是最大的时候

那VC2和VE2之间的压差大

就意味着VCE之间的压差大

那么这个时候就意味着

我T2管的集电结是反偏的

那么集电结在反偏的情况下

如果你的发射结进入正偏

这时候就完全满足了

一个三极管

工作在放大区的需要

所以在刚一开始的时候

A点的输入电压VI

上升到0.7伏的时候

我们说T2管它从截止到导通

而且工作在放大区

T2管工作在放大区

就意味着流经R2上的电流

会增加

那这时候我们还用上边的式子

VO输出等于VCC减去一个VBE4

再减去一个VD2的话

还要减去R2上的压降的话

那么有一个1.4是不变的

就是这两个

一个BE4和VD2

这两个加起来1.4不变

但是R2上流经的电流

会随着你输入电压的升高而增大

因为这时候T2管是放大区

所以就会出现B到C段的

这么一个线性的下降

这个线性的下降

会持续到什么时候呢

一直会持续到电路中其他的管子

发生工作状态的转换

那好 我们看

刚才我们看到的

在这个BC段的时候

我们说出现了T1管饱和导通

T2管导通且工作在放大区

T5管这个时候是截止的

T4管是导通的

为什么我们把这个线性区

卡在了0.7到1.3呢

前边的0.7我们知道

它限定的是T2管从截止

到导通的状态

那后边的1.3是为什么

我们看一下如果我的输入电压

上升到1.3的时候

这个时候T2管

这一点的VB2这一点的电压

会上升到1.4

如果它上升到1.4意味着什么

它上升到1.4是不是意味着

它减去T2管

能够正向导通的电压之后

还能让T5管导通

所以你会发现

这个关键的工作点

卡在了1.3伏

那当我一直是T2管线性导通

导通导通

一直到VI上升到1.3伏的时候

电路又会发生新的变化了

发生什么变化呢

好 在CD段输入

大概就是1.4伏左右

如果输入是1.4伏

如果VI是1.4伏

这个时候T2 T5同时导通

我们看如果T2 T5同时导通

T4管的VB4会出现什么状况

T2 T5如果同时导通

那么T4管这个时候就会截止

截止的原因是

我们看T4管如果要处在

导通状态的话

它有一个要求是T4管的VBE4

必须要有0.7的正偏

但是随着T2 T5的导通

我们看到VB4这一点的电压

会迅速下降

下降的原因是随着T2 T5的导通

这一点的电压

会是T2管饱和导通的电压

再加上一个T5管导通的这个电压

也就是它会降到0.8伏

那这个时候T4管要截止

输出开始从刚才的上拉

变成了下拉

那我们现在回过头看

说那输入是变到1.3伏之后

接着往下变

会出现这一系列的情况

那我们现在想到过没有

T1管难道一直工作在

刚才我们说的导通

且饱和的状态下吗

我们再回过头看一下

如果T2 T5管导通之后

T1管的VE1这个时候

会是1.4伏

那么如果你的输入接着往上升

就是越过1.4伏

接着往上涨

那这个时候

是不是就会出现这么一个情况

VE大于1.4伏

而VC由于T2 T5的同时导通

被箝位在了1.4伏

那这时候我问VB1是多少

这个时候出现了一个

特别有意思的现象

就是一个三极管

对它的特性曲线描述

它是VCE是大于零的

我们可以回想一下那一组曲线

VCE大于零

那意味着什么

意味着说CE之间的压差

最小也要是零

那横轴是这样的情况

纵轴是什么呢

纵轴描述的是IC

IC呢又是关于IB的β倍

而IB大于等于零

就意味着BE结也要是正偏的

那就是说VBE要大于等于零

那我们现在来看

如果当我的输入电压

高于1.4伏之后

我们看一下这个T1管

工作在什么状态

刚才提到VC1这一点的电压

由于T2 T5管的导通

它会被箝位在1.4伏

现在输入信号接在了VE1上

而这个VE1会随着

输入信号的升高而升高

那么当它越过了CD段

进入DE段的时候

这一点的电压

就大于1.4伏了

换句话讲现在T1管的VCE

出现了小于零的情况

T1管的VCE小于零

这是我们在学过的三极管的

特性曲线描述当中

没有出现过的

我们在前面复习三极管的

特性的时候 我们就强调

BE要正偏CE要反偏

CE

BE和CE都要大于零

然后确保发射结正偏

集电结反偏

但是现在你出现了一个

这种情况

什么情况呢

说 CE之间出现了一个

倒置的状况

这个倒置是说VCE小于零

那VCE小于零

这时候三极管

它们两个PN结的工作状态

不再联动

所谓不再联动就是说

没有说谁负责去发射载流子

谁收集载流子

这个时候它们的PN结各自为政

那我们现在回想一下

如果是一个NPN的管子

这么一个三极管

如果从B到E

这是一个PN结的话

那其实从B到C也是一个PN结

这时候就成了两个PN结

并联的这么一个状态

我们能够看到说

T2 T5的导通

使得VC1这一点

它的电压是1.4伏

它的电压如果是1.4伏

而VI由于输入信号的升高

已经大于1.4伏

那这个时候VB1

会受谁影响呢

我们看到从VCC上边来讲

VCC对下来讲

对这两个电压值

它都是高电压

那么也就是说这两个PN结

如果各自工作

它们都可以导通

那现在属于后极的

两个三极管导通

使得这一点的电压箝位在了1.4

那我们说这一点的电压

会箝位在2.1伏

所谓箝位在2.1伏

也就是VCC经过R1

然后三个PN结接地了

那么这样的一个情况

使得VB1这一点的电压

被箝位在2.1之后

你的输入信号VI

现在即便是大于1.4伏

再往上升

我前面这个输入极

也就是我的VB1

现在处在一个不导通的状况了

那么接着往上升

其实由于你没有改变

我后边箝位的状态

所以我的输入

一直就会是在低电平

不会发生（相应）上的变化

这就是我们说的TTL反相器

工作的四个工作区域

这四个工作区域我们可以看到

AB段和DE段

肯定是我们希望的

因为这个时候

它输出了高质量的高电平

和高质量的低电平

BC和CD段我们不希望说

电路稳定在那儿

但是这个部分是你不可以避免的

因为当你的输入信号

无论是从0到1

还是从1到0的时候

你的电路势必滑过这样的工作区