信号处理电子电路图
带电阻负载的BJT反相器,其动态性能不理想。因而,在保持逻辑功能不变的前提下,可以另外加若干元器件以改善其动态性能,如减少由于BJT基区电荷存储效应和负载电容所引起的时延。这需改变反相器输入电路和输出电路的结构,以形成TTL反相器的基本电路。
图2表示TTL反相器的基本电路,该电路由三部分组成,即BJTT1组成电路的输入级,T3、T4和二极管D组成输出级,以及由T2组成的中间级作为输出级的驱动电路,将T2的单端输入信号V12转换为互补的双端输出信号。以驱动T3和T4。
图2 TTL反相器的基本电路
(1)当输入为高电平,如vI=3.6V时,电源VCC通过Rb1和T1的集电结向T2、T3提供基极电流,使T2、T3饱和,输出为低电平,vo=0.2V。此时
VB1=VBC1+VBE2+VBE3=(0.7+0.7+0.7)V=2.1V
显然,这时T1的发射结处于反向偏置,而集电结处于正向偏置。所以T1处于发射结和集电结倒置使用的放大状态。由于T2和T3饱和,输出VC3=0.2V,同时可估算出VC2的值:
VC2=VCES2+VB3=(0.2+0.7)V=0.9V
此时,VB4=VC2=0.9V。作用于T4的发射结和二极管D的串联支路的电压为VC2-VO=(0.9-0.2)V=0.7V,显然,T4和D均截止,实现了反相器的逻辑关系:输入为高电平时,输出为低电平。
(2)当输入为低电平,vI=0.2V时,T1的发射结导通,其基极电压等于输入低电压加上发射结正向压降,即
VB1=(0.2+0.7)V=0.9V
此时VB1作用于T1的集点结和T2、T3的发射结上,所以T2、T3都截止,输出为高电平。
由于T2截止,VCC通过RC2向T4提供基极电流,致使T4和D导通,其电流流入负载。输出电压为
vO≈VCC-VBE4-VD=(5-0.7-0.7)V=3.6V
显然:输入为低电平时,输出为高电平。
当TTL反相器输入电压由高(3.6V)变低(0.2V)的瞬间,VB1=(0.2+0.7)V=0.9V。但由于T2、T3原来是饱和的,它们的基区存储电荷还来不及消散,在此瞬间,T2、T3的发射结仍处于正向偏置,T1的集电极电压为
VC1=VBE2+VBE3=(0.7+0.7)V=1.4V
此时,T1的集电结为反向偏置,因输入为低电平时,T1的发射结为正向偏置,于是T1工作在放大区,这时产生基极电流iB1,其射极电流β1iB1流入低电平的输入端。集电极电流iC2≈β1iB1的方向是从T2的基极流向T1的集电极,它很快地从T2的基区抽走多余的存储电荷,使T2迅速地脱离饱和而进入截止状态。T2的迅速截止导致T4立刻导通,相当于T3的负载是个很小的电阻,使T3的集电极电流加大,多余的存储电荷迅速从集电极消散而达到截止,从而加速了状态转换。
图2采用了由T3、T4组成推拉式输出级。其中T4组成电压跟随器,T3为共射极电路,作为T4的射极负载。这种输出级的优点是,既能提高开关速度,又能提高带负载能力。
图2所示的基本TTL反相器不难改变成为多输入端的与非门。它的主要特点是在电路的输入端采用了多发射极的BJT。器件中的每一个发射极能各自独立地形成正向偏置的发射结,并可促使BJT进入放大或饱和区。两个或多个发射极可以并联地构成一大面积的组合发射极。
图3(a)说明采用多发射极BJT用作3输入端TTL与非门的输入器件。当任一输入端为低电平时,T1的发射结将正向偏置而导通,T2将截止。结果将导致输出为高电平。只有当全部输入端为高电平时,T1将转入倒置放大状态,T2和T3均饱和,输出为低电平。
图3(b)为3输入端TLL与非门的逻辑符号。
图3 具有多发射级BJT的3输入端与非门电路(a)电路图(b)逻辑符号
带电阻负载的BJT反相器,其动态性能不理想。在保持逻辑功能不变的前提下,可以另外增加若干元器以改善其动态性能,如减少由于BJT基区电荷存储效应和负载电容所引起的时延。这需改变反相器输入电路和输出电路的结构,以形成TTL反相器的基本电路。下图就是一个TTL反相器的基本电路。
由三极管T1组成电路的输入级;
由T3、T4和二极管D组成输出级;
由T2组成的中间级作为输出级的驱动电路,将T2的单端输入信号vI2转换为互补的双端输出信号vI3和vI4,以驱动T3和T4。
为解决目前市场上销售的LED彩灯控制器闪烁频率不可调或不容易调的问题,设计出一种基于TTL电路的LED可调彩灯控制器,电路采用计数器和按钮开关作为手动档位控制,共有10档可调;配上译码器和数码管实现档位自动监测显示;由时间振荡电路和16通道多路复用器HCC4067BF组成可调定时器,可产生10组时钟振荡脉冲送入触发器DM74LS74AN;再由双D触发器74LS74作为分频器控制彩灯闪烁频率;通过实际组装电路调试,电路顺利实现了10个档位手动控制,通过改变LED彩灯闪烁频率,提高了LED彩灯控制性能和闪烁效果。
LED彩灯控制器的基本结构如图1所示,主要由档位控制器、可调定时器、档位显示、分频器、彩灯电路等组成,档位控制器设有按钮开关,共有0~9档可供选择,且可不断循环;档位显示电路由数据选择器SN74LS247N和七段LED数码管组成,能监控、显示按钮开关动作;可调定时器选用多谐振荡器实现,可提供10组定时控制,分频器采用双D触发器74L574,进行二分频和四分频;彩灯电路选择不同颜色发光二极组合。
整个电路主要由档位控制、定时、档位显示、分频、彩灯等电路组成,电路设计如图所示。
TTL门电路工作速度相对于MOS较快,但由于当输出为低电平时T5工作在深度饱和状态,当输出由低转为高电平,由于在基区和集电区有存储电荷不能马上消散,而影响工作速度。
改进型TTL与非门可能工作在饱和状态下的晶体管T1、T2、T3、T5都用带有肖特基势垒二极管(SBD)的三极管代替,以限制其饱和深度,提高工作速度改进型TTL与非门增加有源泄放电路。
图1 TTL反相器组成的施密特触发器及其逻辑符号
若图1电路中,TTL反相器可用CD4069,其引脚图如图2。
TTL反相器的阈值电压Vth≈VDD/2,R1R2,且输入信号vI为三角波,电路的参数如下:施密特触发器在输入信号正向增加时的阈值电压,称为正向阈值电压,用VT+表示。
得回差电压为△VT=VT+-VT-≈2(R1/R2)Vth
上式表明,回差电压的大小可以改变R1、R2的比值来调节。电路工作波形及传输特性如图3所示。
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