目標(biāo)

自20世紀(jì)60年代首次生產(chǎn)出集成邏輯門(mén)以來(lái)，各種數(shù)字邏輯電路技術(shù)層出不窮。本次實(shí)驗(yàn)將研究晶體管-晶體管邏輯(TTL)電路逆變器（非門(mén)）和2輸入NAND門(mén)配置。

背景知識(shí)

TTL逆變器的原理圖如圖1所示。此電路克服了單晶體管逆變器電路的局限性。基本TTL逆變器由三級(jí)組成：電流導(dǎo)引輸入、分相級(jí)和輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)。

圖1. TTL逆變器

輸入級(jí)晶體管Q1執(zhí)行電流導(dǎo)引功能，可以將它視為背靠背二極管布置。晶體管以正向或反向模式工作，使電流流入或流出第二級(jí)晶體管的基極Q2。正向電流增益?F遠(yuǎn)大于反向電流增益?R。關(guān)斷時(shí)，它提供更高的放電電流來(lái)給基極放電。

圖2. 輸入電流導(dǎo)引級(jí)的等效電路

圖1中的第二級(jí)晶體管Q2使用分相器來(lái)驅(qū)動(dòng)上拉和下拉輸出級(jí)的兩半。它允許以相反相位產(chǎn)生輸入條件，從而可以反相驅(qū)動(dòng)輸出晶體管。這樣，Q4關(guān)斷時(shí)Q3可以導(dǎo)通，反之亦然，如圖3所示。

圖3. 分相級(jí)

輸出晶體管對(duì)Q3和Q4與二極管D1一起被稱(chēng)為圖騰柱輸出，如圖4所示。這種輸出配置提供了主動(dòng)拉電流或灌電流的能力，對(duì)于驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載很有用。電阻R4用于限制VCC提供的電流。在穩(wěn)態(tài)條件下，一次只有一個(gè)晶體管導(dǎo)通。

圖4. 輸出級(jí)

二極管D1用于提高Q4的有效導(dǎo)通電壓，使其能夠在Q3完全導(dǎo)通之前關(guān)斷。這有助于防止邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間潛在的大浪涌電流流入輸出級(jí)。電阻R4還用于限制輸出級(jí)中允許流動(dòng)的電流。缺點(diǎn)是邏輯高電平會(huì)降低，降幅為二極管壓降，如圖11所示。

材料

ADALM2000 主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

無(wú)焊試驗(yàn)板

跳線(xiàn)

一個(gè)100 kΩ電阻

一個(gè)2.2 kΩ電阻

一個(gè)470 Ω電阻

一個(gè)100 Ω電阻

一個(gè)小信號(hào)二極管(1N914)

五個(gè)小信號(hào)NPN晶體管（2N3904和/或SSM2212）

TTL逆變器

說(shuō)明

ADALP2000 模擬部件套件隨附五個(gè)2N3904 NPN晶體管。較舊的套件可能包含一對(duì)匹配的SSM2212。所示的建議試驗(yàn)板布局是針對(duì)SSM2212連接。如果只使用2N3904器件，請(qǐng)根據(jù)需要更改布局。

在無(wú)焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖5所示TTL逆變器電路。如果使用SSM2212 NPN對(duì)，它只能替代Q3和Q4（輸出級(jí)），因?yàn)槠浠鶚O和發(fā)射極端子上有內(nèi)部保護(hù)二極管用以防止反向偏置。

圖5. TTL逆變器

硬件設(shè)置

將電路連接到ADALM2000輸入/輸出連接器，如圖5所示。對(duì)于未使用的示波器負(fù)輸入，在不使用時(shí)最好將其接地。

試驗(yàn)板連接如圖6所示。

圖6. TTL逆變器試驗(yàn)板電路

程序步驟

將波形發(fā)生器W1配置為具有0 V偏移和6 V幅度峰峰值的100 Hz三角波。在x-y模式下使用示波器觀(guān)察電路的電壓傳輸曲線(xiàn)。

圖7. TTL逆變器傳輸曲線(xiàn)

TTL NAND門(mén)

說(shuō)明

給TTL逆變器再增加一個(gè)輸入，便得到一個(gè)TTL NAND門(mén)。按照?qǐng)D8所示連接TTL逆變器電路。

圖8. TTL 2輸入NAND門(mén)

硬件設(shè)置

將電路連接到ADALM2000 I/O連接器，如圖8所示。對(duì)于未使用的示波器負(fù)輸入，在不使用時(shí)最好將其接地。

試驗(yàn)板連接如圖9所示。

圖9. TTL 2輸入NAND門(mén)試驗(yàn)板電路

程序步驟

將波形發(fā)生器W1配置為具有0 V偏移和6 V幅度峰峰值的100 Hz三角波，將W2配置為具有0 V偏移、6 V幅度峰峰值和90°相位的100 Hz三角波。

使用示波器觀(guān)察電路的輸出Ch2。

圖10. TTL NAND門(mén)輸出波形

測(cè)量

傳輸特性

通過(guò)施加緩慢上升的輸入電壓，并確定相對(duì)于每個(gè)晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)變化而發(fā)生的事件序列以及這些變化發(fā)生的臨界點(diǎn)，可以推導(dǎo)出TTL逆變器的傳輸特性。考慮圖11所示的電路輸入與輸出傳輸特性曲線(xiàn)。

圖11. TTL逆變器輸入與輸出傳輸曲線(xiàn)

斷點(diǎn)P1

當(dāng)輸入接近0 V且基極電流提供給Q1時(shí)，該晶體管可以在正向模式下導(dǎo)通。集電極電流的唯一來(lái)源是Q2的漏電流，因此Q1將被驅(qū)動(dòng)到飽和狀態(tài)。這確保了Q2關(guān)斷，進(jìn)而又意味著Q3關(guān)斷。在沒(méi)有負(fù)載的情況下，輸出級(jí)中有漏電流流動(dòng)，這使得晶體管Q4和二極管D1在導(dǎo)通狀態(tài)下幾乎不傳導(dǎo)電流。

VOUT = VCC – VBE4 – VD1

VOUT = 5 V – 0.6 V – 0.6 V = 3.8 V

P1點(diǎn)：VIN = 0.5 V，VOUT = 3.8 V

斷點(diǎn)P2

隨著輸入電壓略微增加，上述狀態(tài)一直持續(xù)，直到（在Q1導(dǎo)通并處于飽和狀態(tài)的情況下）Q2基極的電壓上升至導(dǎo)通點(diǎn)。則

VIN = VBE2 – VCE1(SAT) = 0.6 V – 0.1 V = 0.5 V

P2點(diǎn)：VIN = 0.5 V，VOUT = 3.8 V

斷點(diǎn)P3

隨著輸入電壓進(jìn)一步增加，Q2傳導(dǎo)更多電流，從而完全導(dǎo)通。Q2的基極電流由Q1的基極-集電極結(jié)（現(xiàn)在是正向偏置）提供，Q1仍處于飽和狀態(tài)。最終，Q3達(dá)到導(dǎo)通點(diǎn)。這發(fā)生在：

VIN = VBE2 + VBE3 – VCE1(SAT)

VIN = 0.7 V + 0.6 V – 0.1 V = 1.2 V

請(qǐng)注意，當(dāng)晶體管Q3剛剛導(dǎo)通時(shí)，VBE3 = 0.6 V，這意味著流過(guò)R3的電流為0.6 V/470 Ω = 1.27 mA。在線(xiàn)性活動(dòng)區(qū)工作時(shí)，Q2的集電極電流為0.97 mA × 1.27 mA = 1.23 mA。

R2兩端的電壓降即為VR2 = 1.23 mA × 2.2 kΩ = 2.7 V。

在這種情況下，Q2上的集電極到發(fā)射極電壓降為：

VCE2 = VCC – VR2 – VR3

VCE2 = 5 V – 2.7 V – 0.6 V = 1.7 V

這證實(shí)了Q2仍在正向活動(dòng)模式下運(yùn)行。

隨著Q3開(kāi)始導(dǎo)通，電流通過(guò)Q4和二極管D1的傳導(dǎo)路徑，隨后完全導(dǎo)通。這種情況下：

VO = VCC – VR1 – VBE4 – VD1

VO = 5 V – 0.94 V – 0.65 V – 0.6 V = 2.81 V

P3點(diǎn)：V = 1.2 V，V = 2.81 V

斷點(diǎn)P4

隨著輸入電壓進(jìn)一步增加，Q2傳導(dǎo)更多電流，最終進(jìn)入飽和模式。Q3也傳導(dǎo)更多電流，最終達(dá)到飽和點(diǎn)。當(dāng)Q2傳導(dǎo)更多電流時(shí)，其集電極電流增加。這導(dǎo)致R1兩端的壓降增加，意味著Q2上的電壓（即VCE2）下降。當(dāng)此電壓降至Q4和二極管D1導(dǎo)通所要求的電壓以下時(shí)，二者均關(guān)斷，然后Q3飽和。

當(dāng)Q3達(dá)到飽和邊緣時(shí)：

VI = VBE2 + VBE3 – VCE1

VI = 0.7 V + 0.7 V – 0.1 V = 1.3 V

P4點(diǎn)：VI = 1.4 V，VO = 0.2 V

審核編輯：郭婷