当前课程知识点：数字电子技术基础 > 第五周 > 3.5-2-2 TTL反相器的工作原理 > Video
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
-0.1 数字量和模拟量
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-0.2 电子技术的发展历程
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-0.3 课程的基本任务
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-1.1 信息与编码
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-1.2 二进制的补码
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-1.3 二进制补码运算的符号位
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-1.4 二进制的编码
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-1.5 用电压来表达信息
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-1.6 电压信号的离散化
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-2.1 逻辑代数概述
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-2.2 逻辑代数的三种基本运算
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-第一周--第一周作业
-2.3 几种常用的复合逻辑运算
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-2.4 逻辑代数的基本公式和常用公式
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-2.5 逻辑代数的基本定理
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-2.6 逻辑函数及其表示方法
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-2.7 逻辑函数形式的变换
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-2.8 逻辑函数的化简
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-2.9 逻辑函数的最小项之和
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-2.10 逻辑函数的最大项之积
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-2.11 最小项和最大项的关系
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-2.12 逻辑函数的卡诺图
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-2.13 卡诺图化简法
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-2.14 具有无关项的逻辑函数及其化简
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-2.15 逻辑函数的机器化化简法
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-第二周--第二周作业
-3.0 门电路概述
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-3.1-1 半导体二极管的开关特性
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-3.1-2 二极管与门
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-3.1-3 二极管或门
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-3.1-4 二极管门电路的缺点
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-3.2-1 MOS管的基本构造和工作原理
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-3.2-2 MOS管的开关特性
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-3.2-3 MOS管的工作特性曲线
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-3.3-1 CMOS反相器的电路结构和工作原理
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-3.3-2 CMOS反相器的电压电流传输特性
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-3.3-3 CMOS反相器的静态输入输出特性
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-3.3-4 CMOS反相器的动态特性
--Video
-3.3-5 CMOS反相器的总功耗
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-第三周--第三周作业
-3.4-1 其他逻辑功能的CMOS门电路
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-3.4-2 带缓冲级的CMOS门电路
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-3.4-3 漏极开路的门电路
--Video
-3.4-4 CMOS传输门和三态门
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-3.5-1-1 双极型三极管的输入输出特性
--Video
-3.5-1-2 双极型三极管的基本开关电路
--Video
-3.5-1-3 双极型三极管的开关等效电路、三极管反相器
--Video
-第四周--第四周作业
-3.5-2-1 TTL反相器的电路结构
--Video
-3.5-2-2 TTL反相器的工作原理
--Video
-3.5-2-3 TTL反相器中的几个 问题和输入噪声容限
--Video
-3.5-3-1 TTL反相器的输入输出特性
--Video
-3.5-3-2 TTL反相器的输入端负载特性
--Video
-3.5-3-3 TTL反相器的扇出系数
--Video
-3.5-4-1 TTL反相器的传输延迟时间
--Video
-3.5-4-2 TTL反相器的交流噪声容限
--Video
-3.5-4-3 电源的动态尖峰电流
--Video
-3.5-5-1 其他逻辑功能的TTL门电路
--Video
-3.5-5-2 集电极开路输出的门电路
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-3.5-5-3 三态输出门
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-实验一：与非门电压传输特性曲线的观测
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-实验二：与非门传输延迟时间的测量
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-第五周--第五周作业
-4.1 组合逻辑电路的特点
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-4.2-1 组合逻辑电路的分析方法
--Video
-4.2-2 组合逻辑电路的设计方法
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-4.3-1-1 若干常用组合逻辑电路：普通编码器
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-4.3-1-2-1 优先编码器
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-4.3-1-2-2 优先编码器的扩展
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-4.3-1-3 二-十进制优先编码器
--Video
-4.3-2-1 译码器
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-4.3-2-2 二进制译码器的扩展
--Video
-4.3-2-3-1 显示译码器
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-4.3-2-3-2 显示译码器附加控制端的作用
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-4.3-2-4 用译码器设计组合逻辑电路
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-4.3-3-1 数据选择器
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-4.3-3-2 用数据选择器设计组合电路
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-4.3-4-1 加法器
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-4.3-4-2 多位加法器
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-4.3-4-3 用加法器设计组合电路
--Video
-4.3-5 数值比较器
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-4.4-1_4.4-2 组合逻辑电路中的竞争-冒险现象
--Video
-4.4-3 消除竞争-冒险现象的方法
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-第六周--第六周作业
-4.5 可编程器件及EDA1
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-5.0 触发器的由来
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-5.1 门电路与触发器的关系
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-5.2 基本RS锁存器
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-5.3-1 电平触发的SR触发器
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-5.3-2 电平触发的D触发器1
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-5.3-3 电平触发的D触发器2
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-5.4-1-1 脉冲触发的触发器--主从D触发器
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-5.4-1-2 脉冲触发的触发器--主从SR触发器
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-5.4-1-3 脉冲触发的触发器--主从JK触发器
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-5.4-2 脉冲触发方式的动作特点
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-5.5 边沿触发的触发器
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-5.6-1 触发器的逻辑功能及其描述方法--SR触发器
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-5.6-2触发器的逻辑功能及其描述方法--JK触发器、T触发器、D触发器
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-第七周--第七周作业
-5.7-1 触发器的动态特性1
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-5.7-2 触发器的动态特性2
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-5.7-3 触发器的动态特性3
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-6.1-1 时序逻辑电路概述
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-6.1-2 时序电路的一般结构形式与功能描述方法
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-6.1.3 时序电路的分类
--Video
-6.2.1-1 同步时序电路的分析方法1
--Video
-6.2.1-2 同步时序电路的分析方法2
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-6.2.3 异步时序电路的分析方法
--Video
-6.3.1-1 寄存器
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-6.3.1-2 移位寄存器1
--Video
-6.3.1-3 移位寄存器2
--Video
-6.3.1-4 移位寄存器扩展应用
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-6.3.2-1-1-1 计数器概述、同步二进制加法计数器
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-6.3.2-1-1-2 同步二进制减法计数器
--Video
-6.3.2-1-1-3 同步加减计数器
--Video
-6.3.2-1-2-1 同步十进制加法计数器
--Video
-6.3.2-1-2-2 同步十进制减法计数器、十进制可逆计数器
--Video
-6.3.2-2 异步计数器
--Video
-第八周--第八周作业
-6.3.2-3-1-1 任意进制计数器的构成方法
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-6.3.2-3-1-2 任意进制计数器的构成方法--举例(N>M)
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-6.3.2-3-1-3 任意进制计数器的构成方法--举例(N<M)
--Video
-6.3.2-4 计数器应用举例
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-6.4.1-1 时序逻辑电路的设计方法
--Video
-6.4.1-2 时序逻辑电路的设计方法--举例
--Video
-6.4.2 时序逻辑电路的动态特性分析
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-7.0 半导体存储器绪论
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-7.1 半导体存储器概述和分类
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-7.2-1 ROM的结构和工作原理
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-7.2-2 可编程ROM1
--Video
-7.2-3 可编程ROM2
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-7.3 RAM的结构和工作原理
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-7.4-1 存储器容量的扩展-位扩展
--Video
-7.4-2 存储器容量的扩展-字扩展
--Video
-7.5 用存储器实现组合逻辑电路
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-第九周--第九周作业
-8.1 可编程逻辑器件概述
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-8.2-8.3-8.4 可编程逻辑器件-FPLA/PAL/GAL
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-8.5-8.6-8.7 可编程逻辑器件-EPLD/CPLD/FPGA
--Video
-8.8-8.9 可编程逻辑器件-ISPGDS、PLD的使用
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-10.1-1 脉冲波形的产生和整形概述
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-10.1-2-10.2.1 门电路组成的施密特触发器
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-10.2.2 集成施密特触发器
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-10.2.3 施密特触发器的主要特点和应用
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-10.3.1-1-1 积分型单稳态触发器--结构和工作原理
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-10.3.1-1-2 积分型单稳态触发器--性能参数计算
--Video
-10.3.1-2-1 微分型单稳态触发器--结构和工作原理
--Video
-10.3.1-2-2 微分型单稳态触发器--性能参数计算
--Video
-10.3.2 集成单稳态触发器
--Video
-10.4.1 用施密特触发器构成的多谐振荡器
--Video
-10.4.2 对称式多谐振荡器
--Video
-10.4.3 非对称式多谐振荡器
--Video
-第十周--第十周作业
-10.4.4 环形振荡器
--Video
-10.4.5 石英晶体多谐振荡器
--Video
-10.5 脉冲电路的分析方法
--Video
-10.6.1 555定时器电路的结构与功能
--Video
-10.6.2 用555定时器接成施密特触发器
--Video
-10.6.3 用556定时器接成单稳态触发器
--Video
-10.6.4 用557定时器接成多谐振荡器
--Video
-11.1 数模和模数转换概述
--Video
-11.2.1 权电阻网络D/A转换器
--Video
-11.2.2 倒T型电阻网络D/A转换器
--Video
-11.2.3 具有双极性输出的电阻网络D/A转换器
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-11.2.4 D/A转换器的转换精度和速度
--Video
-11.3.1 A/D转换的基本原理
--Video
-11.3.2 采样保持电路
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-11.3.3 并联比较型A/D转换器
--Video
-11.3.4-1 反馈比较型A/D转换器--计数型
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-11.3.4-2 反馈比较型A/D转换器--逐次渐进型
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-11.3.5 双积分型和V-F型A/D转换器
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-第十一周--第十一周作业
-I-概述、电路设计及功能仿真
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-II-指定芯片及时序仿真
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-III-选外设（自动化）、锁定引脚并生成下载文件
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-IV-电路扩展设计
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-V-用Verilog描述状态机电路
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