Что такое транзисторная транзисторная логика (TTL) и ее работа

Логические вентили, такие как NAND, NOR, используются в повседневных приложениях для выполнения логических операций. Gates производятся с использованием полупроводниковых устройств, таких как BJT, диоды или полевые транзисторы. Различные ворота построены с использованием интегральных схем. Цифровые логические схемы производятся в зависимости от конкретной схемотехники или логических семейств. К различным семействам логики относятся RTL (резисторная транзисторная логика), DTL (диодно-транзисторная логика), TTL (транзисторно-транзисторная логика), ECL (эмиттерно-связанная логика) и CMOS (дополнительная металлооксидно-полупроводниковая логика). Из них RTL и DTL используются редко. В этой статье обсуждается обзор Транзисторно-транзисторная логика или TTL .

История транзисторно-транзисторной логики

Логика TTL или транзисторно-транзисторная логика была изобретена в 1961 году «Джеймсом Л. Бью из TRW». Он подходит для разработки новых интегральных схем. Настоящее название этого TTL - TCTL, что означает транзисторная транзисторная логика. В 1963 году первые коммерческие устройства TTL были разработаны компанией «Sylvania», известной как SUHL или «Семейство универсальной логики высокого уровня Sylvania».

После того, как в 1964 году инженеры Texas Instruments выпустили микросхемы серии 5400 с диапазоном рабочих температур, транзисторно-транзисторная логика стала очень популярной. После этого в 1966 году серия 7400 была запущена в более узком диапазоне.

Совместимые части семейств 7400, выпущенные Texas Instruments, были разработаны несколькими компаниями, такими как National Semiconductor, AMD, Motorola, Intel, Fairchild, Signetics, Intersil, Mullard, SGS-Thomson, Siemens, Rifa и т. Д. Одно и только одно производство Такие компании, как IBM, запустили несовместимые схемы, использующие TTL для собственного использования.

Транзисторно-транзисторная логика применялась ко многим поколениям биполярной логики, постепенно улучшая скорость, а также потребление энергии в течение примерно двух десятилетий. Обычно каждая микросхема TTL включает в себя сотни транзисторов. Как правило, функции в одном пакете варьируются от логических вентилей до микропроцессора.
Первый ПК, такой как Kenbak-1, использовался для процессора Transistor-Transistor Logic в качестве альтернативы микропроцессору. В 1970 году в Datapoint 2200 использовались компоненты TTL, и он был базой для 8008, а затем и набора инструкций x86.

В графическом интерфейсе пользователя, представленном Xerox alto в 1973 году, а также на рабочих станциях Star в 1981 году использовались схемы TTL, встроенные на уровне ALU.

Что такое транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)?

Транзисторно-транзисторная логика (TTL) - это семейство логических схем, состоящее из BJT (транзисторов с биполярным переходом). Как следует из названия, транзистор выполняет две функции: логическую и усилительную. Лучшими примерами TTL являются логические вентили, а именно вентиль 7402 NOR и вентиль 7400 NAND.

Логика TTL включает несколько транзисторов, которые имеют несколько эмиттеров, а также несколько входов. Типы ТТЛ или транзисторно-транзисторной логики в основном включают стандартный ТТЛ, быстрый ТТЛ, ТТЛ Шоттки, ТТЛ высокой мощности, ТТЛ малой мощности и расширенный ТТЛ Шоттки.

Проектирование логических вентилей TTL может быть выполнено с помощью резисторов и BJT. Существует несколько вариантов TTL, которые разработаны для различных целей, например, радиационно-стойкие TTL-пакеты для космических приложений и маломощные диоды Шоттки, которые могут обеспечить отличное сочетание скорости и меньшего энергопотребления.

Типы транзисторно-транзисторной логики

TTL доступны в разных типах, и их классификация выполняется на основе вывода, как показано ниже.

• Стандартный TTL
• Быстрый TTL
• Шоттки TTL
• Высокая мощность TTL
• Низкое энергопотребление TTL
• Расширенный TTL Шоттки.

ТТЛ с низким энергопотреблением работает со скоростью переключения 33 нс, чтобы снизить энергопотребление, например, на 1 мВт. В настоящее время это было заменено логикой CMOS. Высокоскоростной TTL имеет более быстрое переключение по сравнению с обычным TTL, например, 6 нс. Однако он имеет большую рассеиваемую мощность, например 22 мВт.

ТТЛ Шоттки был запущен в 1969 году и используется, чтобы избежать накопления заряда для увеличения времени переключения с помощью диодных зажимов Шоттки на выводе затвора. Эти клеммы затвора работают с интервалом 3 нс, однако имеют высокую рассеиваемую мощность, например 19 мВт.

TTL малой мощности использует высокие значения сопротивления от TTL низкой мощности. Диоды Шоттки обеспечат хорошее сочетание скорости, а также снижение потребляемой мощности, например 2 мВт. Это наиболее общий тип TTL, используемый как связующая логика в микрокомпьютерах, в основном заменяет предыдущие подсемейства, такие как L, H и S.

Быстрый TTL используется для увеличения перехода от низкого к высокому. Эти семейства достигли PDP 4 пДж и 10 пДж соответственно. LVTTL или низковольтный TTL для источников питания 3,3 В, а также интерфейса памяти.

Большинство дизайнеров предлагают как коммерческие, так и широкие диапазоны температур. Например, диапазон температур деталей серии 7400 от Texas Instruments составляет от 0 до 70 ° C, а диапазон температур серии 5400 составляет от -55 до +125 ° C. Детали с высокой надежностью и особым качеством доступны для применения в аэрокосмической и военной промышленности, тогда как радиационные устройства серии SNJ54 используются в космических приложениях.

Характеристики TTL

Характеристики TTL включают следующее.

1. Вентилятор: Количество нагрузок, которые может поддерживать выход GATE, не влияя на его обычную производительность. Под нагрузкой мы подразумеваем количество тока, требуемого входом другого затвора, подключенного к выходу данного затвора.
2. Рассеяние мощности: Он представляет собой количество энергии, необходимое устройству. Измеряется в мВт. Обычно это произведение напряжения питания и среднего потребляемого тока при высоком или низком выходе.
3. Задержка распространения: Он представляет собой время перехода, которое истекает при изменении входного уровня. Задержка, которая возникает при переходе выхода, называется задержкой распространения.
4. Запас шума: Он представляет собой допустимое шумовое напряжение на входе, которое не влияет на стандартный вывод.
   

Классификация транзисторно-транзисторной логики

Это логическая семья, полностью состоящая из транзисторов. В нем используется транзистор с несколькими эмиттерами. Коммерчески он начинается с 74-й серии, такой как 7404, 74S86 и т. Д. Он был построен в 1961 году Джеймсом Л. Буй и коммерчески использовался в логическом проектировании в 1963 году. TTL классифицируются на основе выходных данных.

Выход с открытым коллектором

Основная особенность заключается в том, что его выход равен 0 при низком уровне и плавающем при высоком. Обычно может применяться внешний Vcc.

Выход с открытым коллектором транзисторно-транзисторной логики

Транзистор Q1 ведет себя как группа диодов, соединенных спиной друг к другу. Когда любой из входов имеет низкий логический уровень, соответствующий переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, и падение напряжения на базе Q1 составляет около 0,9 В, чего недостаточно для проводимости транзисторов Q2 и Q3. Таким образом, выход либо плавающий, либо Vcc, т.е. высокий уровень.

Точно так же, когда на всех входах высокий уровень, все переходы база-эмиттер Q1 имеют обратное смещение, а транзисторы Q2 и Q3 получают достаточный базовый ток и находятся в режиме насыщения. На выходе низкий логический уровень. (Чтобы транзистор перешел в режим насыщения, ток коллектора должен быть больше, чем ток базы в β раз).

Приложения

Применения вывода с открытым коллектором включают следующее.

• В фарах дальнего света или реле
• При выполнении проводной логики
• При построении общей автобусной системы

Выход на тотемный столб

Тотемный столб означает добавление активной подтягивающей цепи на выходе ворот, что приводит к уменьшению задержки распространения.

Выход на тотемный полюс TTL

Логическая операция такая же, как у выхода с открытым коллектором. Транзисторы Q4 и диод используются для быстрой зарядки и разрядки паразитной емкости на Q3. Резистор используется для поддержания безопасного значения выходного тока.

Три государственных ворот

Он обеспечивает 3 выхода состояния, как показано ниже

• Состояние низкого уровня, когда нижний транзистор включен, а верхний транзистор выключен.
• Состояние высокого уровня, когда нижний транзистор выключен, а верхний транзистор включен.
• Третье состояние, когда оба транзистора выключены. Это позволяет прямое проводное соединение многих выходов.

Транзисторно-транзисторная логика с тремя состояниями затвора

Особенности семейства TTL

К особенностям семейства TTL можно отнести следующее.

• Низкий логический уровень равен 0 или 0,2 В.
• Высокий уровень логики - 5В.
• Типичный вентилятор из 10. То есть он может поддерживать не более 10 вентилей на своем выходе.
• Базовое устройство TTL потребляет мощность почти 10 мВт, которая снижается при использовании устройств Шоттки.
• Средняя задержка распространения составляет около 9 нс.
• Запас по помехоустойчивости около 0,4В.

Серия TTL IC

ИС TTL в основном начинаются с 7-й серии. Он состоит из 6 подсемейств:

1. Устройство малой мощности с задержкой распространения 35 нс и рассеиваемой мощностью 1 мВт.
2. Шоттки малой мощности устройство с задержкой 9нс
3. Усовершенствованный прибор Шоттки с задержкой 1,5 нс.
4. Усовершенствованный маломощный Шоттки устройство с задержкой 4 нс и рассеиваемой мощностью 1 мВт.

В любой номенклатуре устройств TTL первые два имени указывают имя подсемейства, к которому принадлежит устройство. Первые две цифры обозначают рабочий температурный диапазон. Следующие два алфавита указывают на подсемейство, к которому принадлежит устройство. Последние две цифры указывают на логическую функцию, выполняемую микросхемой. Примеры: 74LS02- 2 вентиль ИЛИ-НЕ на входе, 74LS10- Тройной вентиль И-НЕ с 3 входами.

Типичные схемы TTL

Логические ворота используются в повседневной жизни в таких приложениях, как сушилка для одежды, компьютерный принтер, дверной звонок и т. Д.

Ниже приведены 3 основных логических элемента, реализованных с использованием логики TTL:

NOR Gate

Предположим, что на входе A высокий логический уровень, переход эмиттер-база соответствующего транзистора смещен в обратном направлении, а переход база-коллектор смещен в прямом направлении. Транзистор Q3 получает ток базы от напряжения питания Vcc и переходит в насыщение. В результате низкого напряжения коллектора от Q3 транзистор Q5 отключается, и, с другой стороны, если на другом входе низкий уровень, Q4 отключается и, соответственно, отключается Q5, и выход подключается непосредственно к земле через транзистор Q3. . Точно так же, когда на обоих входах низкий логический уровень, на выходе будет высокий логический уровень.

NOR Gate TTL

НЕ ворота

Когда на входе низкий уровень, соответствующий переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор - в обратном направлении. В результате отключается транзистор Q2, а также транзистор Q4. Транзистор Q3 переходит в состояние насыщения, диод D2 начинает проводить ток, а выход подключается к Vcc и переходит в высокий логический уровень. Аналогично, когда на входе высокий логический уровень, на выходе низкий логический уровень.

НЕ Gate TTL

Сравнение TTL с другими семействами логики

Как правило, устройства TTL потребляют больше энергии по сравнению с устройствами CMOS, но использование энергии не увеличивается за счет тактовой частоты для устройств CMOS. По сравнению с существующими схемами ECL, транзисторно-транзисторная логика использует малую мощность, но имеет простые правила проектирования, но работает значительно медленнее.

Производители могут объединять устройства TTL и ECL в одной системе для достижения наилучшей производительности, но такие устройства, как сдвиг уровня, необходимы из двух логических семейств. TTL малочувствителен к повреждению от электростатического разряда по сравнению с ранними устройствами CMOS.

Из-за структуры o / p устройства TTL импеданс o / p асимметричен между низким и высоким состояниями, что делает их непригодными для управления линиями передачи. Обычно этот недостаток преодолевается за счет буферизации выходных сигналов с помощью специальных устройств линейных драйверов там, где сигналы требуют передачи по кабелям.

Тотемно-полюсная o / p-структура TTL часто имеет быстрое перекрытие, когда как верхний, так и нижний транзисторы проводят ток, что приводит к значительному сигналу тока, потребляемого от источника питания.

Эти сигналы могут внезапно соединяться между несколькими корпусами ИС, что приводит к снижению производительности и уменьшению запаса шума. Как правило, системы TTL используют разделительный конденсатор для каждого из них, в противном случае - два пакета IC, поэтому токовый сигнал от одного чипа TTL не снижает напряжение питания другого на мгновение.

В настоящее время многие разработчики поставляют эквиваленты логики CMOS через уровни ввода / вывода и вывода / вывода, совместимые с TTL, через номера деталей, которые относятся к соответствующему компоненту TTL, включая те же выводы. Так, например, серия 74HCT00 предоставит несколько альтернативных вариантов для биполярных деталей серии 7400, однако использует технологию CMOS.

Сравнение TTL с другими семействами логики с точки зрения различных характеристик включает следующее.

Транзисторно-транзисторный логический инвертор

Устройства транзисторной транзисторной логики (TTL) заменили диодно-транзисторную логику (DTL), поскольку они работают быстрее и дешевле в эксплуатации. ИС NAND с четырьмя входами 2 использует устройство ТТЛ 7400 для разработки широкого диапазона схем, которые используются в качестве инвертора.

На приведенной выше принципиальной схеме используются вентили NAND внутри ИС. Поэтому выберите переключатель A, чтобы активировать схему, после чего вы можете заметить, что оба светодиода в цепи погаснут. Когда выход низкий, тогда вход должен быть высоким. После этого выберите переключатель B, и оба светодиода загорятся.

Когда переключатель A выбран, оба входа логического элемента И-НЕ будут иметь высокий уровень, что означает, что выход логических элементов будет меньше. Когда выбран переключатель B, входы не будут иметь высокий уровень в течение длительного времени, и светодиоды загорятся.

Преимущества и недостатки

К достоинствам и недостаткам ТТЛ можно отнести следующее.

Основным преимуществом TTL является то, что мы можем легко взаимодействовать с другими схемами и способность генерировать сложные логические функции из-за определенных уровней напряжения, а также хорошего запаса шума TTL имеет хорошие функции, такие как fan-in, что означает количество сигналов i / p, которые можно принять через вход.

TTL в основном невосприимчив к ущербу от стационарных электрических разрядов, в отличие от CMOS, и по сравнению с CMOS они экономичны. Главный недостаток TTL - высокий ток потребления. Высокие требования к току TTL могут привести к плохому функционированию, потому что состояния o / p будут отключены. Даже с разными версиями TTL, которые имеют низкое потребление тока, будут конкурентоспособны с CMOS.

С появлением CMOS приложения TTL были заменены на CMOS. Но TTL все еще используется в приложениях, потому что они довольно надежны, а логические вентили довольно дешевы.

Приложения TTL

Применения TTL включают следующее.

• Используется в приложении контроллера для обеспечения от 0 до 5 В
• Используется в качестве переключающего устройства в фарах и реле дальнего света.
• Используется в процессорах мини-компьютеры как DEC VAX
• Используется в принтерах и видеотерминалах

Таким образом, это все о обзор TTL или транзисторно-транзисторной логики . Это группа микросхем, которые сохраняют логические состояния, а также обеспечивают переключение с помощью BJT. TTL - одна из причин того, что ИС так широко используются, потому что они недороги, быстрее и обладают высокой надежностью по сравнению с TTL и DTL. TTL использует транзисторы через несколько эмиттеров в вентилях, которые имеют несколько входов. Вот вам вопрос, каковы подкатегории транзисторно-транзисторной логики?