信号链基础知识之常用的输出结构

红灯记

            
电子工程专辑               

微信号    eet-china

                                                                                       
在电子电路系统设计中，出于各种性能参数上的考虑，电路设计者会根据具体的情况来采用不同的输出结构，例如互补式输出结构、推拉式输出结构等。本文将继续信号链基础知识系列文章，着重分析几种常用的输出结构。

（1）互补式输出结构：

最原始的互补式输出结构拓扑如下图所示：




可以看出，该类型电路的充电时间和放电时间分别为：


有意思的是：理论上来说，这里电容器本身并没有消耗直流电源的任何功率，因为电容充电所消耗的能量正好等于电容放电所消耗的能量！即一个周期内均为:


所有的能量都被消耗在加热驱动电路上了。

这种形式的输出结构还有一个“交越失真”的问题，对此感兴趣的朋友可参阅：《剖析Transistor的5种工作状态,长按复制链接，浏览器打开。http://forum.eet-cn.com/BLOG_ARTICLE_5628.HTM》

（2）推拉式输出结构：

最原始的推拉式输出结构拓扑如下图所示：

采用这种结构时需要注意的一个情况就是：当输入电压位于某一值时，TR1和TR2有可能都部分“导通”，此时，电流从直流电源Vcc经晶体管直接流到GND。由此产生了一个从Vcc到GND的浪涌电流，功率以热量的形式消耗在晶体管上了。严重的情况下，会烧坏晶体管。

注：图中的1/2*Vcc只是代表一种可能值，由于各类晶体管的参数不同，这样的一个电压值难以确定下来。

一个解决办法是：在TR1的射极和TR2的集电极之间串一个二极管。

另外，对于由CMOS管构成的推拉式输出结构来说，由于这个“部分短路”的原因，导致CMOS电路的动态功耗比它的静态功耗要高，由此可以看出，在CMOS电路中，我们关注的一般是它的动态功耗，而在一定程度上忽略它的静态功耗。

（3）三态式输出结构：

这种输出结构是由推拉式输出结构演变而来的，它充分利用了推拉式结构工作速度快的优点，同时允许输出端连接在一起。输出信号时除了高电平、低电平这两种状态之外，还有一个比较有意思的“高阻”状态，即上拉和下拉晶体管都同时截止时使得输出端到电源和GND都是高阻态的一种情况。

其实这种输出结构只是比推拉式输出结构多设置了一个“使能控制信号”输入端：

a)“使能”有效的时候，其原理和推拉式结构一样；

b)“使能”无效的时候，输入与输出直接断开，形成高阻。

这样可以实现多个门电路连接到同一个数据总线上了。


（4）集电极开路式输出（或漏极开路式输出）结构：

从推拉式输出式结构可以分析得出，两个TTL门电路是不能直接将输出端连接在同一点上的，由此就不能形成有效的“线与”逻辑关系。针对这种情况，可以采用集电极开路式输出结构来有效地解决。该种结构的简要拓扑图如下所示：

这里的上拉电阻虽然不要求精度很高，但是却是必不可少的，若没有它的话，当TR饱和导通时将会导致外接直流电源与GND发生短路，很有可能烧坏晶体管。

另外，当输出为低电平时，由于晶体管处于深度饱和状态，其输出电阻即为晶体管的饱和电阻（其值一般很小），因此，此时具有很好的带负载能力——晶体管的集电极电流可以全部用来驱动负载。这种情况很简单，我就不举例了。

这里的上拉电阻取值应该尽量的小，以达到尽可能高的速度，因为这样可以减小从低态到高态转换的时间常数（即上升时间）。但是，上拉电阻也不能过小——受集电极开路输出时的最大吸收电流限制，况且此时也将会增加直流电源的功率损耗。

一般来说，直流供电源为5V的情况下，TTL门电路的输出高电平能够达到3.5V已经算是比较理想的情况了，且对于CMOS来说，只有当输入Vin>3.5V时才判定输入为高电平，所以电路设计过程中若TTL与CMOS直接相连接，则极有可能会导致电路的误操作。这时，采用集电极开路式输出结构即可有效地解决这个问题。


碎碎念：对于大部分比较器芯片来说，里面一般都会有一个集电极开路式输出结构，且其发射极接地。此时，如果将一个外部上拉电阻连接到所选择的电压上，那么输出端便可以在外接电压值和地之间转换。

（5）射极跟随器式输出（或源极跟随器式输出）结构：

刚开始接触射极跟随器电路时，我们也可能会好奇地问：既然输出电压近似相等于输入电压，为何不直接连一根导线就完事，非要费劲在中间加一个电压跟随器？其实，回答这个问题的关键点在于：电压跟随器放大了输入信号的功率，并且加强了电路的带负载的能力。

但是这样的结构也是存在问题的，当发射极为容性负载时，如果基极电位下降的时间比发射极的时间常数短时，则晶体管截止，这样，便不能高速工作。关于这个问题，我曾经在一本参考书（忘了作者）上看到一个比较有效的解决方法，我把原理拓扑图画下来，和网友share一下：

可以看出，这里主要的改进就是用PNP晶体管代替发射极电阻，从而有效地解决了上述问题。

本文小结：以上主要是以晶体管电路为例来说明情况的，至于CMOS门电路，分析方法大体是一致的。熟悉并掌握这些常用的输出结构对于设计出性能良好的集成电路是大有裨益的