初级模拟电路：3-9 BJT三极管实现逻辑门
作者：互联网
BJT晶体管可以实现逻辑门，事实上，在场效应管被发明用于集成电路以前，各种逻辑门芯片中的电路就是用BJT晶体管来实现的。最早人们使用二极管与BJT组合来实现逻辑门，这个称为二极管-晶体管逻辑（Diode-Transistor Logic），简称DTL；后来改进为全部用BJT晶体管来实现逻辑门，这个称为晶体管-晶体管逻辑（Transistor-Transistor Logic），简称TTL。早期广为人知的TTL电平，就是基于这种用BJT晶体管实现的逻辑门。TTL的优点是响应速度比较快，缺点是功耗较大，所以后来基本被功耗更低的场效应管取代。
我们这里仅介绍几个最简单的逻辑门的实现：反相器、或非门、与非门，主要是用来说明概念。除非你是专门设计逻辑门芯片的，否则一般平时也不太可能用分立元件去搭建逻辑门，还有就是在电路修补中万不得已时应急用一下。
在前面几小节的放大电路中，BJT都工作于放大区。而在用BJT实现逻辑门时，却要使用饱和区和截止区，而不能使用放大区，这个是逻辑电路和放大电路的在使用BJT时的根本区别。
1. 反相器
反相器的功能很简单，就是将输入的电平反向输出：输入高电平-输出低电平、输入低电平-输出高电平。下面是反相器的实现电路：
图3-9.01
在作逻辑分析时，我们一般做如下近似：将VBE的导通值视为0.7V，将典型值为0.1V~0.3V的饱和电压VCEsat近似视为0.2V。
下面是反相器电路工作原理：
• 当vi输入为0V时，BJT截止，vo输出电平即为5V。
• 当vo输入为5V时，BJT的CE端导通，产生电流IC，若此时BJT处于饱和区，VCE近似可视为饱和电压0.2V，此时输出电平vo即为0.2V。
这个电路的关键点在于如何选取合适的RB与RC值以确保BJT在导通时确实工作于饱和区。一般可以先根据外部负载条件定出一个符合输出阻抗要求的RC，然后再根据饱和要求，用公式原理推算出能使BJT进入临界饱和的大致RB值，再加点余量。最后验证在高电平输入条件下，BJT在此RB配置下是否确实工作于饱和区。具体方法可参看下面的案例：
案例3-9-1：在下图的反相器中，已知β=100，根据外部负载匹配，要求RC为500Ω，请选取合适的RB值使反相器能正常工作。
图3-09.a1
解：先计算出，在这个RC条件下，当BJT处于临界饱和时的ICsat值：
然后计算临界饱和时的IBsat值（当处于临界饱和时，β仍视为100）：
使此IBsat成立的RBsat为：
为使BJT进入更深度的饱和，我们选取RB为比RBsat更小的值，假定选取为20kΩ。
验证：当RB为20kΩ时，IB为：
此时电流放大倍数为：
可知，在此RB值下，BJT导通时确实处于饱和区，原假设正确。
2. 或非门
或非门BJT实现电路和输入输出真值表如下图所示（其中1表示高电平，0表示低电平）：
图3-9.02
• 当vi1和vi2输入都为0V时，晶体管Q1和Q2都截止，vo输出电平为5V。
• 当vi1输入为5V、vi2输入为0V时，晶体管Q1导通、Q2截止，由于Q1工作于饱和区，VCE1=VCEsat≈0.2V，故vo输出电平为0.2V。
• 同样的，当vi2输入为5V时、vi1输入为0V时，晶体管Q2导通、Q1截止，VCE2=VCEsat≈0.2V，故vo输出电平为0.2V。
• 当vi1和vi2都输入0V时，晶体管Q1和Q2都导通，VCE1=VCE2=VCEsat≈0.2V，故vo输出电平为0.2V。
关于如何配置RB1、RB2、RC的值使BJT晶体管工作于饱和区，这个和前面反相器的计算方法是类似的，可参看上面的案例3-9-1。
3. 与非门
与非门的实现需要二极管的配合，其实现电路和真值表如下图所示：
图3-9.03
• 当vi1和vi2输入中有任一个为0V时，输入二极管Di1或Di2就会导通，此时v1点的电压即为二极管的导通阈值电压0.7V。这个电压无法使右边的D1和Q1都导通，因为若要使D1和Q1的发射结都导通，vB点的电压起码需要0.7V，而v1点的电压需要0.7+0.7=1.4V。而在v1只有0.7V的情况下，右边的D1和Q1的发射结每个只能分到0.35V左右的电压，故D1和Q1都截止，输出vo保持5V的高电平。
• 当vi1和vi2输入全都为5V时，输入二极管Di1和Di2全都截止，此时VCC会使R1、D1和Q1形成通路，vB点的电压为0.7V，v1点的电压为1.4V。由于Q1导通时工作于饱和状态，故输出vo为VCEsat约等于0.2V。
至于如何配置R1、RB、RC，原理和前面是一样的：根据输出阻抗匹配先定RC，然后计算为使Q1进入饱和区的R1，具体方法可参看前面的案例3-9-1。
顺便提一下，RB称作下拉电阻，其主要作用是当Q1从饱和状态切换到截止状态时，使基区过剩的少数载流子有个渠道流掉，以减少切换开关时间。这个稍微了解一下即可，一般选一个大约的几千欧的阻值就差不多了，在要求不高的场合下，即使不用RB也问题不大。
4. 关于TTL
在上面电路中，我们用DTL（二极管-晶体管逻辑）实现了与非门。如果你想知道传说中的TTL（晶体管-晶体管逻辑）到底是什么样的，那么本小节可以稍稍满足一下你的好奇心。
我们仍以上面的与非门为例，假设先去掉Di2，那么，在图中两个背靠背的二极管Di1和D1，其实可以看成是一个NPN型三极管，如下图所示：
图3-9.04
我们前面说过，在分立元器件的BJT晶体管中，C极和E极的掺杂浓度是不对称的，所以分立元器件中不能像上图这样等效，但是在制作集成电路芯片时，是可以在片上做成像上面右图那样的对称管的。
而且，在集成电路制作时还可以加入多个发射极，如下图所示：
图3-9.05
如此，就实现了一个二输入与非门的TTL电路。如果要实现n个输入的与非门，还可以加入n多个发射极。当然，这种多发射极的BJT晶体管只能在集成电路芯片中实现，分立元器件的话是没有这种器件的。
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标签：Q1,三极管,晶体管,初级,BJT,RB,饱和,输入 来源： https://www.cnblogs.com/initcircuit/p/11803007.html