2009-8-20 1
2.3.1 TTL反相器的工作原理
2.3.2 TTL反相器的电压传输特性及参数
2.3 TTL反相器
2.3.4 TTL反相器的其它参数
2.3.3 TTL反相器的输入特性和输出特性结束放映
2009-8-20 2
复习什么是高电平？什么是低电平？
什么是状态赋值？
什么是正逻辑？什么是负逻辑？
二极管与门、或门有何优点和缺点？
2009-8-20 3
2.3 TTL反相器
TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称晶体管 — 晶体管逻辑门电路，
简称 TTL电路。
TTL电路的基本环节是反相器。
简单了解 TTL反相器的电路及工作原理，重点掌握其特性曲线和主要参数（应用所需知识）。
2009-8-20 4
2.3.1 TTL反相器的工作原理
1,电路组成图 2-9 TTL反相器的基本电路
2009-8-20 5
(1) 输入级
N
P
N
当输入低电平时,uI=0.3V,发射结正向导通,uB1=1.0V
当输入高电平时,uI=3.6V,发射结受后级电路的影响将反向截止。 uB1由后级电路决定。
NN
P
2009-8-20 6
(2) 中间级反相器 VT2
实现非逻辑 反相输出同相输出向后级提供反相与同相输出。
输入高电压时饱和输入低电压时截止
2009-8-20 7
(3) 输出级（ 推拉式输出） VT3为射极跟随器低输入高输入饱和截止低输入高输入截止导通
2009-8-20 8
2,工作原理
（ 1）当输入高电平时,uI=3.6V，
VT1处于倒置工作状态，
集电结正偏，发射结反偏，
uB1=0.7V× 3=2.1V，
VT2和 VT4饱和，
输出为低电平 uO=0.3V。
2.1V
0.3V
3.6V
2009-8-20 9
（ 2） 当输入低电平时,
uI=0.3V，
VT1发射结导通，
uB1=0.3V+0.7V=1V，
VT2和 VT4均截止，
VT3和 VD导通。
输出高电平
uO =VCC -UBE3-UD
≈5V-0.7V-0.7V=3.6V
1V
3.6V0.3V
2009-8-20 10
(3) 采用 推拉式输出级 利于提高开关速度和负载能力
VT3组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，
又能提高负载能力。
当输入高电平时,VT4饱和，
uB3=uC2=0.3V+0.7V=1V,VT3和 VD截止,VT4的集电极电流可以全部用来驱动负载。
当输入低电平时,VT4截止,VT3导通 (为射极输出器 )，其输出电阻很小，带负载能力很强。
可见，无论输入如何,VT3和 VT4总是一管导通而另一管截止。
这种推拉式工作方式,带负载能力很强 。
2009-8-20 11
2.3.2 TTL反相器的电压传输特性及参数电压传输特性,输出电压 uO与输入电压 uI的关系 曲线 。
图 2-10 TTL反相器电路的电压传输特性截止区线性区转折区 饱和区
1,曲线分析 VT4截止，称关门
VT4饱和，
称开门
2009-8-20 12
2,结合电压传输特性介绍几个参数
(1) 输出高电平 UOH
典型值为 3V。
(2) 输出低电平 UOL
典型值为 0.3V。
2009-8-20 13
(3) 开门电平 UON
一般要求 UON≤1.8V
(4) 关门电平 UOFF
一般要求 UOFF≥0.8V
在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小输入高电平的数值，称为开门电平 UON。
在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大输入低电平的数值，称为关门电平 UOFF。
UOFF UON
2009-8-20 14
(5) 阈值电压 UTH
电压传输特性曲线转折区中点所对应的 uI值称为阈值电压 UTH（又称门槛电平）。通常 UTH≈1.4V。
(6) 噪声容限（ UNL和 UNH ）
噪声容限也称 抗干扰能力,它反映门电路在多大的干扰电压下仍能正常工作。
UNL和 UNH越大，电路的抗干扰能力越强。
2009-8-20 15UOFF
UNLU
IL UON
UNH U
IH
2009-8-20 16
① 低电平噪声容限（低电平正向干扰范围）
UNL=UOFF-UIL
UIL为电路输入低电平的典型值 （ 0.3V）
若 UOFF=0.8V，则有 UNL=0.8-0.3=0.5 (V)
② 高电平噪声容限（高电平负向干扰范围）
UNH = UIH - UON
UIH为电路输入高电平的典型值 （ 3V）
若 UON=1.8V，则有 UNH = 3-1.8 =1.2 (V)
2009-8-20 17
2.3.3 TTL反相器的输入特性和输出特性
1,输入伏安特性输入电压和输入电流之间的关系曲线。
图 2-11 TTL反相器的输入伏安特性
（ a）测试电路 （ b）输入伏安特性曲线
2009-8-20 18
两个重要参数：
(1) 输入短路电流 IIS
当 uI = 0V时,iI从输入端流出。
iI =－ (VCC－ UBE1)/R1 =－ (5－ 0.7)/4 ≈－ 1.1mA
(2) 高电平输入电流 IIH
当输入为高电平时,VT1的发射结反偏，集电结正偏，处于倒置工作状态，倒置工作的三极管电流放大系数 β反 很小 (约在 0.01以下 )，所以
iI = IIH =β反 iB2
IIH很小，约为 10μA左右 。
2009-8-20 19
图 2-12 输入负载特性曲线
（ a）测试电路 （ b）输入负载特性曲线
TTL反相器的输入端对地接上电阻 RI 时,uI随
RI 的变化而变化的关系曲线。
2,输入负载特性
2009-8-20 20
在一定范围内，
uI随 RI的增大而升高。但当输入电压
uI达到 1.4V以后，
uB1 = 2.1V,RI增大，
由于 uB1不变，故 uI
= 1.4V也不变。这时 VT2和 VT4饱和导通，输出为低电平。
虚框内为 TTL反相器的部分内部电路
2009-8-20 21
RI 不大不小时，工作在线性区或转折区。
RI 较小时，关门，输出高电平；
RI 较大时，开门，输出低电平；
ROFF RON R
I→ ∞ 悬空时？
2009-8-20 22
(1) 关门电阻 ROFF —— 在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许 RI 的最大值称为关门电阻。典型的 TTL门电路 ROFF≈ 0.7kΩ。
(2) 开门电阻 RON—— 在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许 RI 的最小值称为开门电阻。典型的 TTL门电路 RON≈ 2kΩ。
数字电路中要求输入负载电阻 RI ≥ RON或 RI ≤
ROFF,否则输入信号将不在高低电平范围内。
振荡电路则令 ROFF ≤ RI ≤ RON使电路处于转折区。
2009-8-20 23
3,输出特性指输出电压与输出电流之间的关系曲线。
(1) 输出高电平时的输出特性负载电流 iL不可过大，否则输出高电平会降低。
图 2-13 输出高电平时的输出特性
（ a）电路 （ b）特性曲线拉电流负载
2009-8-20 24
图 2-14 输出低电平时的输出特性
（ a）电路 （ b）特性曲线
(2) 输出低电平时的输出特性负载电流 iL不可过大，否则输出低电平会升高。
一般灌电流在 20 mA以下时，电路可以正常工作。
典型 TTL门电路的灌电流负载为 12.8 mA。
灌电流负载
2009-8-20 25
2.3.4 TTL反相器的其它参数
1,平均传输延迟时间 tpd
平均传输延迟时间 tpd表征了门电路的开关速度。
tpd = （ tpLH +tpHL） /2
图 2-15 TTL反相器的平均延迟时间
2009-8-20 26
2,TTL门电路主要参数的典型数据表 2-5 74系列 TTL门电路主要参数的典型数据参 数 名 称 典 型 数 据导通电源电流 ICCL ≤10 mA
截止电源电流 ICCH ≤5 mA
输出高电平 UOH ≥3 V
输出低电平 UOL ≤0.35 V
输入短路电流 IIS ≤2.2 mA
输入漏电流 IIH ≤70μA
开门电平 UON ≤1.8 V
关门电平 UOFF ≥0.8 V
平均传输时间 tpd ≤30 ns
2009-8-20 27
作业题
2-6
2.3.1 TTL反相器的工作原理
2.3.2 TTL反相器的电压传输特性及参数
2.3 TTL反相器
2.3.4 TTL反相器的其它参数
2.3.3 TTL反相器的输入特性和输出特性结束放映
2009-8-20 2
复习什么是高电平？什么是低电平？
什么是状态赋值？
什么是正逻辑？什么是负逻辑？
二极管与门、或门有何优点和缺点？
2009-8-20 3
2.3 TTL反相器
TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称晶体管 — 晶体管逻辑门电路，
简称 TTL电路。
TTL电路的基本环节是反相器。
简单了解 TTL反相器的电路及工作原理，重点掌握其特性曲线和主要参数（应用所需知识）。
2009-8-20 4
2.3.1 TTL反相器的工作原理
1,电路组成图 2-9 TTL反相器的基本电路
2009-8-20 5
(1) 输入级
N
P
N
当输入低电平时,uI=0.3V,发射结正向导通,uB1=1.0V
当输入高电平时,uI=3.6V,发射结受后级电路的影响将反向截止。 uB1由后级电路决定。
NN
P
2009-8-20 6
(2) 中间级反相器 VT2
实现非逻辑 反相输出同相输出向后级提供反相与同相输出。
输入高电压时饱和输入低电压时截止
2009-8-20 7
(3) 输出级（ 推拉式输出） VT3为射极跟随器低输入高输入饱和截止低输入高输入截止导通
2009-8-20 8
2,工作原理
（ 1）当输入高电平时,uI=3.6V，
VT1处于倒置工作状态，
集电结正偏，发射结反偏，
uB1=0.7V× 3=2.1V，
VT2和 VT4饱和，
输出为低电平 uO=0.3V。
2.1V
0.3V
3.6V
2009-8-20 9
（ 2） 当输入低电平时,
uI=0.3V，
VT1发射结导通，
uB1=0.3V+0.7V=1V，
VT2和 VT4均截止，
VT3和 VD导通。
输出高电平
uO =VCC -UBE3-UD
≈5V-0.7V-0.7V=3.6V
1V
3.6V0.3V
2009-8-20 10
(3) 采用 推拉式输出级 利于提高开关速度和负载能力
VT3组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，
又能提高负载能力。
当输入高电平时,VT4饱和，
uB3=uC2=0.3V+0.7V=1V,VT3和 VD截止,VT4的集电极电流可以全部用来驱动负载。
当输入低电平时,VT4截止,VT3导通 (为射极输出器 )，其输出电阻很小，带负载能力很强。
可见，无论输入如何,VT3和 VT4总是一管导通而另一管截止。
这种推拉式工作方式,带负载能力很强 。
2009-8-20 11
2.3.2 TTL反相器的电压传输特性及参数电压传输特性,输出电压 uO与输入电压 uI的关系 曲线 。
图 2-10 TTL反相器电路的电压传输特性截止区线性区转折区 饱和区
1,曲线分析 VT4截止，称关门
VT4饱和，
称开门
2009-8-20 12
2,结合电压传输特性介绍几个参数
(1) 输出高电平 UOH
典型值为 3V。
(2) 输出低电平 UOL
典型值为 0.3V。
2009-8-20 13
(3) 开门电平 UON
一般要求 UON≤1.8V
(4) 关门电平 UOFF
一般要求 UOFF≥0.8V
在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小输入高电平的数值，称为开门电平 UON。
在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大输入低电平的数值，称为关门电平 UOFF。
UOFF UON
2009-8-20 14
(5) 阈值电压 UTH
电压传输特性曲线转折区中点所对应的 uI值称为阈值电压 UTH（又称门槛电平）。通常 UTH≈1.4V。
(6) 噪声容限（ UNL和 UNH ）
噪声容限也称 抗干扰能力,它反映门电路在多大的干扰电压下仍能正常工作。
UNL和 UNH越大，电路的抗干扰能力越强。
2009-8-20 15UOFF
UNLU
IL UON
UNH U
IH
2009-8-20 16
① 低电平噪声容限（低电平正向干扰范围）
UNL=UOFF-UIL
UIL为电路输入低电平的典型值 （ 0.3V）
若 UOFF=0.8V，则有 UNL=0.8-0.3=0.5 (V)
② 高电平噪声容限（高电平负向干扰范围）
UNH = UIH - UON
UIH为电路输入高电平的典型值 （ 3V）
若 UON=1.8V，则有 UNH = 3-1.8 =1.2 (V)
2009-8-20 17
2.3.3 TTL反相器的输入特性和输出特性
1,输入伏安特性输入电压和输入电流之间的关系曲线。
图 2-11 TTL反相器的输入伏安特性
（ a）测试电路 （ b）输入伏安特性曲线
2009-8-20 18
两个重要参数：
(1) 输入短路电流 IIS
当 uI = 0V时,iI从输入端流出。
iI =－ (VCC－ UBE1)/R1 =－ (5－ 0.7)/4 ≈－ 1.1mA
(2) 高电平输入电流 IIH
当输入为高电平时,VT1的发射结反偏，集电结正偏，处于倒置工作状态，倒置工作的三极管电流放大系数 β反 很小 (约在 0.01以下 )，所以
iI = IIH =β反 iB2
IIH很小，约为 10μA左右 。
2009-8-20 19
图 2-12 输入负载特性曲线
（ a）测试电路 （ b）输入负载特性曲线
TTL反相器的输入端对地接上电阻 RI 时,uI随
RI 的变化而变化的关系曲线。
2,输入负载特性
2009-8-20 20
在一定范围内，
uI随 RI的增大而升高。但当输入电压
uI达到 1.4V以后，
uB1 = 2.1V,RI增大，
由于 uB1不变，故 uI
= 1.4V也不变。这时 VT2和 VT4饱和导通，输出为低电平。
虚框内为 TTL反相器的部分内部电路
2009-8-20 21
RI 不大不小时，工作在线性区或转折区。
RI 较小时，关门，输出高电平；
RI 较大时，开门，输出低电平；
ROFF RON R
I→ ∞ 悬空时？
2009-8-20 22
(1) 关门电阻 ROFF —— 在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许 RI 的最大值称为关门电阻。典型的 TTL门电路 ROFF≈ 0.7kΩ。
(2) 开门电阻 RON—— 在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许 RI 的最小值称为开门电阻。典型的 TTL门电路 RON≈ 2kΩ。
数字电路中要求输入负载电阻 RI ≥ RON或 RI ≤
ROFF,否则输入信号将不在高低电平范围内。
振荡电路则令 ROFF ≤ RI ≤ RON使电路处于转折区。
2009-8-20 23
3,输出特性指输出电压与输出电流之间的关系曲线。
(1) 输出高电平时的输出特性负载电流 iL不可过大，否则输出高电平会降低。
图 2-13 输出高电平时的输出特性
（ a）电路 （ b）特性曲线拉电流负载
2009-8-20 24
图 2-14 输出低电平时的输出特性
（ a）电路 （ b）特性曲线
(2) 输出低电平时的输出特性负载电流 iL不可过大，否则输出低电平会升高。
一般灌电流在 20 mA以下时，电路可以正常工作。
典型 TTL门电路的灌电流负载为 12.8 mA。
灌电流负载
2009-8-20 25
2.3.4 TTL反相器的其它参数
1,平均传输延迟时间 tpd
平均传输延迟时间 tpd表征了门电路的开关速度。
tpd = （ tpLH +tpHL） /2
图 2-15 TTL反相器的平均延迟时间
2009-8-20 26
2,TTL门电路主要参数的典型数据表 2-5 74系列 TTL门电路主要参数的典型数据参 数 名 称 典 型 数 据导通电源电流 ICCL ≤10 mA
截止电源电流 ICCH ≤5 mA
输出高电平 UOH ≥3 V
输出低电平 UOL ≤0.35 V
输入短路电流 IIS ≤2.2 mA
输入漏电流 IIH ≤70μA
开门电平 UON ≤1.8 V
关门电平 UOFF ≥0.8 V
平均传输时间 tpd ≤30 ns
2009-8-20 27
作业题
2-6
