TTL反相器 电路分析

二极管

二极管实际上就是一个PN结。

P型(positive)半导体，空穴为多数载流子
N型(negative)半导体，电子为多数载流子

PN结中电子和空穴复合，使P型空穴减少带负电，N型电子减少带正电，形成从N指向P的内电场。

1.导通（正偏）

即外加电场与内电场方向相反，低消内电场作用，使空间电荷区变窄，PN结处于导通状态。

2.截止（反偏）

即外加电场与内电场方向相同，增强内电场作用，使空间电荷区变宽，PN结处于截止状态。

三极管的工作状态

由于TTL反相器中只涉及NPN型三极管，故只介绍NPN型三级管的工作状态

三极管实际是由俩个PN结组成

1.截止

条件：BE、BC结均反偏

即：$V_{BE}<V_{th}$ 且 $V_C\ge V_B$

则有 $I_B=0$，$I_C\approx 0$

2.饱和

条件：BE结正偏，BC结正偏

即：$V_{BE}>V_{th}$ 且 $V_B\ge V_C$

则有 $\beta I_B>I_C$

三极管的饱和压降固定为 $V_{CES}$

$I_C=\frac{E_C-V_{CES}}{R_C}\approx \frac{E_C}{R_C}$

深度饱和时，$\beta I_B\gg I_C$

硅管 $V_{CES}\approx 0.3V$

锗管 $V_{CES}\approx 0.1V$

3.线性放大

条件：BE结正偏，BC结反偏

即：$V_{BE}>V_{th}$ 且 $V_B\le V_C$

则有 $I_C=\beta I_B$

TTL反相器

1.AB段

从A点，$V_I>0$ 开始分析

由 $T_1$ 深度饱和， $V_{C1}=V_I+V_{CE(sat)}$

所以 $T_2$ 截止（因为 $V_{B2}=V_I+V_{CE(sat)}<V_{be}$），即 $V_I+V_{CE(sat)}<V_{be}$，$V_I<V_{be}-V_{CE(sat)}$，故在B点 $V_I=V_{be}-V_{CE(sat)}$

$T_4$ 导通且 $T_5$ 截止，因为 $T_2$ 截止，所以$V_O=V_{CC}-V_{be}-V_{D2}$

2.BC段

从B点，$V_I>V_{be}-V_{CE(sat)}$ 开始分析

$T_1$ 深度饱和，$V_{B1}=V_I+V_{be}$，$V_{C1}=V_I+V_{CE(sat)}$

所以$V_{B2}=V_{C1}>V_{be}$，即 $T_2$ 导通且工作在线性放大状态，所以 $V_{E2}=V_{B2}-V_{be}$，那么 $I_{C2}\approx I_{E2}=\frac{V_{E2}}{R_3}$，则 $R_2$ 两端电压降为 $V_{CC}-V_{B4}=I_{C2}{R}_2$，故 $V_{B4}=V_{CC}-I_{C2}{R}_2$，$V_O=V_{B4}-V_{be}-V_{D2}=V_{CC}-\frac{V_I+V_{CE(sat)}-V_{be}}{R_3}{R}_2-V_{be}-V_{D2}$，即 $V_O$ 与 $V_I$ 为线性关系

$T_4$ 导通且 $T_5$ 截止，$V_O=V_{E2}=V_I+V_{CE(sat)}-V_{be}<V_{be}$ $V_{B5}=V_{E2}=V_I+V_{CE(sat)}-V_{be}<V_{be}$，即在C点 $V_I=2V_{be}-V_{CE(sat)}$

3.CD段

CD段为 $T_5$ 从截止转变到导通，$T_2$ 达到饱和，$V_{C2}=V_{E2}+V_{CE(sat)}$

$V_{B4}=V_{C2}<V_{be}+V_{D2}$，$T_4$ 截止。

对 $T_5$，BE结正偏，BC结正偏，工作在饱和状态，由于 $V_{E5}=0$，所以$V_O=V_{CE(sat)}$

总结