ADALM2000實(shí)驗(yàn)：TTL逆變器和NAND門

自20世紀(jì)60年代首次生產(chǎn)出集成邏輯門以來，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)和2輸入NAND門配置。

背景知識

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?；綯TL逆變器由三級組成：電流導(dǎo)引輸入、分相級和輸出驅(qū)動(dòng)級。

圖1. TTL逆變器

輸入級晶體管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給基極放電。

圖2. 輸入電流導(dǎo)引級的等效電路

圖1中的第二級晶體管Q2使用分相器來驅(qū)動(dòng)上拉和下拉輸出級的兩半。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

輸出晶體管對Q3和Q4與二極管D1一起被稱為圖騰柱輸出，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

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。電阻R4還用于限制輸出級中允許流動(dòng)的電流。缺點(diǎn)是邏輯高電平會降低，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

● 無焊試驗(yàn)板

● 跳線

● 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)小信號二極管(1N914)

● 五個(gè)小信號NPN晶體管(2N3904和/或SSM2212)

TTL逆變器

說明

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匹配的SSM2212。所示的建議試驗(yàn)板布局是針對SSM2212連接。如果只使用2N3904器件，請根據(jù)需要更改布局。

在無焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖5所示TTL逆變器電路。如果使用SSM2212 NPN對，它只能替代Q3和Q4(輸出級)，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察電路的電壓傳輸曲線。

圖7. TTL逆變器傳輸曲線

TTL NAND門

說明

給TTL逆變器再增加一個(gè)輸入，便得到一個(gè)TTL NAND門。按照圖8所示連接TTL逆變器電路。

圖8. TTL 2輸入NAND門

硬件設(shè)置

將電路連接到ADALM2000 I/O連接器，如圖8所示。對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。

使用示波器觀察電路的輸出Ch2。

圖10. TTL NAND門輸出波形

測量

傳輸特性

通過施加緩慢上升的輸入電壓，并確定相對于每個(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?？紤]圖11所示的電路輸入與輸出傳輸特性曲線。

圖11. TTL逆變器輸入與輸出傳輸曲線

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。在沒有負(fù)載的情況下，輸出級中有漏電流流動(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。

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

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：

請注意，當(dāng)晶體管Q3剛剛導(dǎo)通時(shí)，VBE3 = 0.6 V，這意味著流過R3的電流為0.6 V/470 Ω = 1.27 mA。在線性活動(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：

這證實(shí)了Q2仍在正向活動(dòng)模式下運(yùn)行。

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

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)：

問題：

1. 典型TTL邏輯門的輸出電路通常被稱為圖騰柱輸出，原因是其兩個(gè)輸出晶體管相互堆疊，就像圖騰柱上的雕像一樣。具有圖騰柱輸出級的門電路能否提供負(fù)載電流、吸收負(fù)載電流或既能提供又能吸收負(fù)載電流?

審核編輯：湯梓紅