TTL与BJT的基础知识

CHANBAEK 2023-10-21 3909

描述

教科书上面在讲述TTL工作原理时候，运用到了BJT双极性三极管的基础知识，比如：倒置，钳位，深饱和，饱和压降。这些基础知识在教材上并没有特别明晰的说明。这里对此做了一些自己的思考和整理，欢迎指正。

TTL工作原理

一般来说，下面推导成立的条件是，电路中的电阻需要选择合适的值。

当ABC有一个为低电平时候

假设B输入为0.3V，推导过程如下1-8：

输入0.3V，其中T1一个发射极导通
T1基极钳位在1.0V
T1处于深饱和(Uces=0)，集电极电压为0.3V
T2截止(0.3V不足以支撑T2/T5导通)，T2基极电流很小
T5截止
T2截止，T2集电极电流很小，相当于断开。T3基极电压5V
T3基极到发射极导通，压降0.7V，T4基极电压4.7V
T4基极到发射极导通，压降0.7V，T4发射极电压3.6V，输出3.6V

低电平

当ABC全部为高的时候

当ABC输入都为高电平3.6V的时候，推导过程如下1-8：

T1发射极输入3.6V，而T1基极最大电压2.1V
1. 如果大于2.1V，T2/T5会导通，这样反推回来，T1会被钳位在2.1V
2. 参考下面3/4/5/6步
T1工作在倒置状态
T5导通，基极电压0.7V
T2导通，基极电压1.4V
T1基极电压钳位在2.1V，T1倒置
T2饱和状态，饱和压降0.3V，T3基极电压1.0V
T3饱和状态，发射极电压0.3V
T4截至，对输出不起作用，输出Y等于T5发射极电压，即饱和压降0.3V

低电平

BJT的倒置状态

教科书上说：BJT的发射极与集电极不能交换使用，这是因为BJT并非对称结构。

正常工作在放大状态的时候，发射极导通，集电极反偏，因为发射极掺杂浓度高，大量高浓度电子扩散到基极，集电极反偏后，PN结内电场加大，而基区很薄，里面大量电子将很容易在电场吸引力下漂移到集电极，形成较大的集电极电流：

低电平

倒置时基极到集电极正常导通，由于三极管集电区掺杂浓度不高，扩散的基区自由电子少，同时由于发射极面积小，最终发射极反偏电场只会收集很少量的从基区漂移过来的自由电子，形成的电流很小，处于截至状态。

低电平

这里并没有放大能力，集电极电流应该约等于基极电流。这种情况就当作普通两个二极管如下连接：

低电平

三极管基极钳位电压

上面分析TTL的时候，钳位的概念就是说这个基极到发射极压降UBE是固定值0.7V。在教材里面，会有BJT的输入特性曲线，这里看到，UBE可以在在一定范围内：

低电平

这个特性曲线里面并没有标出具体的数值，下面的一个图是通过实验数据画出的曲线，可以看到导通电压虽然在一定范围，但是这个范围变化很小，所以在上面分析的时候采用了固定的值，这也是PN结本身的物理特性：

低电平

在BJT的大信号特性方程——EbersMoll方程里面：

低电平

可以看到是集电极电流是UBE的函数，那么我们一会把UBE钳位在0.7V，一会又要求它是一个函数的输入变量，这里还是要对使用场合加以思考和区分。

另外虽然上面的方程是UBE作为变量，但是在BJT的输出特性曲线里面，我们看到的往往是IB作为变量，可能主要还是说明BJT是一个“电流控制元件吧”，但本质还是UBE的改动引起IB的改动。

低电平

BJT的饱和状态

饱和的意思是基极电流的增加不再引起集电极电流的增加(饱和了，到头了)，或者说IC不再受IB的控制，或者说放大不起作用了。

这一层的意思是IB增加到一个值，就进入饱和状态。而从输出特性曲线来看，是UCE减少到一个值，就进入饱和状态。

饱和是BJT的物理状态，上面的两种表述应该是相关的，看出来好像是IB增加到一个值的时候，UCE也减少到一个值。

可以用下面的图来进一步理解：

低电平

可以看到UCE应该是IB的减函数，另外还能看到，饱和区是和负载相关的，负载越大，进入饱和区越快，因为UCE减小越快。注意在饱和区放大系数不成立了，从而也不能用图里面的公式计算UCE了。

结合特性曲线，如下面箭头所示。可以猜测，从放大到饱和，伴随着IB增大，UCE减少，然后iC刚开始还是增大的，当进入饱和区后，iC不再增长，甚至会减少。

低电平

从载流子的分析来看，因为IB增大，发射极更多的自由电子进入基极，但是UCE减少后，PN结电场强度减弱，吸引基极自由电子漂移能力减弱，从而集电极电流不会一直增加，会到一个饱和状态。

在上面电路中，IB可以通过调节Rb或VBB改变。我们可以调节使得VT从饱和区进到放大区，或者从放大区进到饱和区。从放大区进到饱和区符合上面饱和的本来意思，即不能继续放大。

比如我们通过调节让UCE逐渐变小：情况1->4，这对应到输出特性曲线从右往左：

低电平

这个里面，1是集电极反偏，仍然对IB电流放大，在进到2的时候，集电极刚好正偏，开始进入饱和区，属于临界区，3是处于饱和区。3的情况再进一步增大IB，就进入深度饱和，比如4的情况，这个时候Ic也急剧下降。

当集电结刚正偏时，iC并未立刻明显下降，而是当集电结正偏电压达到一定值（对于小功率管，该值约为0.3 V）时，iC才明显下降。此时，各条输出特性曲线近似重合在一起。UCES代表饱和区的压降，称为饱和压降。在TTL分析中用到的一个值，取为0.3V。

在大信号分析中，饱和状态直接短路连接了，因为0.3/0.7的压降忽略不计。注意区别：

低电平

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