Транзисторно-транзисторная логика ( ТТЛ ) — это семейство логических устройств , построенных на основе транзисторов с биполярным переходом . Его название означает, что транзисторы выполняют как логическую функцию (первый «транзистор»), так и функцию усиления (второй «транзистор»), в отличие от более ранней резисторно-транзисторной логики (RTL) и диодно-транзисторной логики (DTL).
Интегральные схемы TTL (ИС) широко использовались в таких приложениях, как компьютеры , промышленные средства управления, испытательное оборудование и приборы, бытовая электроника и синтезаторы . [1]
После их появления в виде интегральных схем в 1963 году компанией Sylvania Electric Products интегральные схемы TTL производились несколькими полупроводниковыми компаниями. Серия 7400 от Texas Instruments стала особенно популярной. Производители ТТЛ предлагали широкий ассортимент логических вентилей , триггеров , счетчиков и других схем. Вариации исходной конструкции ТТЛ-схемы предлагали более высокую скорость или меньшую рассеиваемую мощность, что позволяло оптимизировать конструкцию. Устройства TTL изначально изготавливались в керамических и пластиковых двухрядных корпусах и в плоской упаковке. Некоторые TTL-чипы теперь также производятся в корпусах с технологией поверхностного монтажа .
ТТЛ стал основой компьютеров и другой цифровой электроники. Даже после того, как микропроцессоры CMOS на интегральных схемах очень большой интеграции (СБИС) сделали многокристальные процессоры устаревшими, устройства TTL все еще находили широкое применение в качестве связующего логического интерфейса между более плотно интегрированными компонентами.
TTL был изобретен в 1961 году Джеймсом Л. Бьюи из TRW , который заявил, что он «особенно подходит для новой развивающейся технологии проектирования интегральных схем». Первоначальное название TTL — транзисторно-транзисторная логика (TCTL). [2] Первые коммерческие устройства TTL на интегральной схеме были произведены компанией Sylvania в 1963 году и назывались семейством Sylvania Universal High-Level Logic (SUHL). [3] Детали «Сильвания» использовались в системе управления ракетой «Феникс» . [3] TTL стал популярен среди разработчиков электронных систем после того, как компания Texas Instruments представила серию ИС 5400 с военным температурным диапазоном в 1964 году и более позднюю серию 7400 с более узким диапазоном и недорогими пластиковыми корпусами в 1966 году. [4]
Семейство Texas Instruments 7400 стало отраслевым стандартом. Совместимые детали производили Motorola , AMD , Fairchild , Intel , Intersil , Signetics , Mullard , Siemens , SGS-Thomson , Rifa , National Semiconductor , [5] [6] и многие другие компании, даже в Восточном блоке (Советский Союз, ГДР, Польша, Чехословакия, Венгрия, Румыния — подробнее см. серию 7400 ). Другие производители не только производили совместимые TTL-детали, но и совместимые детали производились с использованием многих других схемотехнических технологий. По крайней мере, один производитель, IBM , производил несовместимые TTL-схемы для собственного использования; IBM использовала эту технологию в IBM System/38 , IBM 4300 и IBM 3081 . [7]
Термин «TTL» применяется ко многим последовательным поколениям биполярной логики с постепенным улучшением скорости и энергопотребления в течение примерно двух десятилетий. Последнее представленное семейство 74Fxx до сих пор продается (по состоянию на 2019 год) и широко использовалось до конца 90-х годов. 74AS/ALS Advanced Schottky был представлен в 1985 году. [8] По состоянию на 2008 год Texas Instruments продолжает поставлять микросхемы более общего назначения во многих семействах устаревших технологий, хотя и по повышенным ценам. Обычно ТТЛ-чипы содержат не более нескольких сотен транзисторов каждый. Функции в одном пакете обычно варьируются от нескольких логических элементов до битового среза микропроцессора . TTL также стал важным, потому что его низкая стоимость сделала цифровые методы экономически практичными для задач, ранее решавшихся аналоговыми методами. [9]
Kenbak -1 , предок первых персональных компьютеров , использовал TTL для своего ЦП вместо микропроцессорной микросхемы, которая не была доступна в 1971 году. [10] Datapoint 2200 1970 года использовал TTL-компоненты для своего ЦП и был основой для 8008 и более поздних версий — набор инструкций x86 . [11] В рабочих станциях Xerox Alto 1973 года и Star 1981 года , в которых появился графический интерфейс пользователя , использовались схемы TTL, интегрированные на уровне арифметико-логических устройств (АЛУ) и битовых срезов соответственно. В большинстве компьютеров вплоть до 1990-х годов между более крупными чипами использовалась TTL-совместимая « связывающая логика ». До появления программируемой логики дискретная биполярная логика использовалась для прототипирования и эмуляции разрабатываемых микроархитектур .
ТТЛ-входы представляют собой эмиттеры биполярных транзисторов. В случае входов NAND входы являются эмиттерами транзисторов с несколькими эмиттерами , функционально эквивалентными нескольким транзисторам, у которых базы и коллекторы связаны вместе. [12] Выходной сигнал буферизуется усилителем с общим эмиттером .
Вводит оба логических значения. Когда на все входы подается высокое напряжение, переходы база-эмиттер транзистора с несколькими эмиттерами смещаются в обратном направлении. В отличие от DTL, каждый из входов потребляет небольшой «коллекторный» ток (около 10 мкА). Это связано с тем, что транзистор находится в обратно-активном режиме . Примерно постоянный ток течет от положительной шины через резистор в базу транзистора с несколькими эмиттерами. [13] Этот ток проходит через переход база-эмиттер выходного транзистора, позволяя ему проводить ток и снижая выходное напряжение до низкого уровня (логический ноль).
Входной логический ноль. Обратите внимание, что переход база-коллектор транзистора с несколькими эмиттерами и переход база-эмиттер выходного транзистора расположены последовательно между нижней частью резистора и землей. Если одно из входных напряжений становится равным нулю, соответствующий переход база-эмиттер транзистора с несколькими эмиттерами оказывается параллелен этим двум переходам. Явление, называемое управлением током, означает, что когда два стабильных по напряжению элемента с разными пороговыми напряжениями соединены параллельно, ток течет по пути с меньшим пороговым напряжением. То есть ток вытекает из этого входа в источник нулевого (низкого) напряжения. В результате ток через базу выходного транзистора не протекает, в результате чего он перестает проводить ток, и выходное напряжение становится высоким (логическим). Во время перехода входной транзистор ненадолго находится в своей активной области; поэтому он отбирает большой ток от базы выходного транзистора и, таким образом, быстро разряжает его базу. Это критическое преимущество TTL перед DTL, которое ускоряет переход по сравнению с диодной входной структурой. [14]
Основным недостатком ТТЛ с простым выходным каскадом является относительно высокое выходное сопротивление на выходе логической «1», которое полностью определяется резистором выходного коллектора. Он ограничивает количество входов, которые можно подключить (разветвление ) . Некоторым преимуществом простого выходного каскада является высокий уровень напряжения (до VCC ) выходной логической «1», когда выход не нагружен.
В распространенном варианте коллекторный резистор выходного транзистора отсутствует, что обеспечивает выход с открытым коллектором . Это позволяет разработчику создавать проводную логику , соединяя выходы с открытым коллектором нескольких логических элементов вместе и используя один внешний подтягивающий резистор . Если на каком-либо из логических вентилей устанавливается низкий логический уровень (проводимость транзистора), общий выходной сигнал будет низким. Примерами ворот этого типа являются серии 7401 [15] и 7403 [16] . Выходы с открытым коллектором некоторых вентилей имеют более высокое максимальное напряжение, например 15 В для 7426, [17] , что полезно при управлении нагрузками, отличными от TTL.
Чтобы решить проблему с высоким выходным сопротивлением простого выходного каскада, вторая схема добавляет к этому выход «тотемный полюс» (« двухтактный »). Он состоит из двух npn-транзисторов V3 и V4 , «подъемного» диода V5 и токоограничивающего резистора R3 ( см. рисунок справа). Он управляется с помощью той же идеи управления , что и выше.
Когда V 2 «выключен», V 4 также «выключен», а V 3 работает в активной области как повторитель напряжения , создавая высокое выходное напряжение (логическая «1»).
Когда V 2 включен, он активирует V 4 , подавая на выход низкое напряжение (логический «0»). И снова возникает эффект управления током: последовательная комбинация перехода CE V 2 и перехода BE V 4 параллельна последовательному соединению V 3 BE, анодно-катодного перехода V 5 и V 4 CE. . Вторая последовательная комбинация имеет более высокое пороговое напряжение, поэтому ток через нее не протекает, т. е. ток базы V 3 лишается. Транзистор V3 отключается и на выход это не влияет.
В середине перехода резистор R 3 ограничивает ток, протекающий непосредственно через последовательно соединенные транзистор V 3 , диод V 5 и транзистор V 4 , которые все являются проводящими. Он также ограничивает выходной ток в случае выходной логической «1» и короткого замыкания на землю. Прочность затвора можно увеличить без пропорционального влияния на потребляемую мощность, удалив подтягивающие и понижающие резисторы из выходного каскада. [18] [19]
Основным преимуществом ТТЛ с выходным каскадом «тотем-полюс» является малое выходное сопротивление на выходе логической «1». Он определяется тем, что верхний выходной транзистор V3 работает в активной области как эмиттерный повторитель . Резистор R 3 не увеличивает выходное сопротивление, так как включен в коллектор V 3 и его влияние компенсируется отрицательной обратной связью. Недостатком выходного каскада «тотем-полюс» является пониженный уровень напряжения (не более 3,5 В) выходной логической «1» (даже если выход не нагружен). Причиной такого снижения являются падения напряжения на переходах база-эмиттер В 3 и анод-катод В 5 .
Как и DTL, TTL представляет собой логику со стоком тока, поскольку ток должен поступать со входов, чтобы довести их до уровня напряжения логического 0. Фаза управления должна поглощать до 1,6 мА со стандартного входа TTL, не допуская при этом повышения напряжения более чем на 0,4 В. [20] Выходной каскад наиболее распространенных ТТЛ-вентилей рассчитан на правильную работу при управлении до 10 стандартными входными каскадами (разветвление 10). Входы TTL иногда просто оставляют плавающими, чтобы обеспечить логическую «1», хотя такое использование не рекомендуется. [21]
Стандартные схемы ТТЛ работают от источника питания 5 В. Входной сигнал TTL определяется как «низкий», когда он находится в диапазоне от 0 В до 0,8 В относительно клеммы заземления, и «высокий», когда между 2 В и В CC (5 В), [22] [23] и если напряжение сигнал в диапазоне от 0,8 В до 2,0 В подается на вход ТТЛ-затвора, определенного ответа от затвора нет, и поэтому он считается «неопределенным» (точные логические уровни незначительно различаются в зависимости от подтипа и температуры). Выходы TTL обычно ограничены более узкими пределами: от 0,0 В до 0,4 В для «низкого» уровня и от 2,4 В до В CC для «высокого», обеспечивая помехоустойчивость не менее 0,4 В. Стандартизация уровней TTL настолько повсеместна, что сложные печатные платы часто содержат чипы TTL, изготовленные разными производителями, выбранными с учетом доступности и стоимости, при этом гарантируется совместимость. Две печатные платы, снятые с одной и той же сборочной линии в разные дни или недели подряд, могут иметь разные марки микросхем в одних и тех же местах на плате; ремонт возможен с использованием чипов, изготовленных на годы позже оригинальных компонентов. В достаточно широких пределах логические элементы можно рассматривать как идеальные логические устройства, не беспокоясь об электрических ограничениях. Запас по шуму 0,4 В достаточен из-за низкого выходного сопротивления каскада драйвера, то есть для управления входным сигналом в неопределенной области требуется большая мощность шума, наложенная на выход.
В некоторых случаях (например, когда выход логического элемента ТТЛ необходимо использовать для управления входом элемента КМОП) уровень напряжения выходного каскада «тотем-полюс» на выходе логической «1» можно увеличить ближе к к V CC , подключив внешний резистор между коллектором V4 и положительной шиной. Он подтягивает катод V 5 и отсекает диод. [24] Однако этот метод фактически преобразует сложный выходной сигнал «тотемного полюса» в простой выходной каскад, имеющий значительное выходное сопротивление при подаче высокого уровня (определяемого внешним резистором).
Как и большинство интегральных схем периода 1963–1990 годов, коммерческие устройства TTL обычно упаковываются в двухрядные корпуса (DIP), обычно с 14–24 выводами [25] для монтажа в сквозное отверстие или гнездо. Корпуса из эпоксидного пластика (PDIP) часто использовались для компонентов коммерческого температурного диапазона, а керамические корпуса (CDIP) использовались для деталей военного температурного диапазона.
Кристаллы микросхем с выводами пучков без корпусов были созданы для сборки в более крупные массивы в виде гибридных интегральных схем. Детали для военного и аэрокосмического применения упаковывались в плоские пакеты , представляющие собой упаковку для поверхностного монтажа, с выводами, пригодными для сварки или пайки на печатных платах. Сегодня [ когда? ] , многие TTL-совместимые устройства доступны в корпусах для поверхностного монтажа, которые доступны в более широком спектре типов, чем корпуса для сквозного монтажа.
ТТЛ особенно хорошо подходит для биполярных интегральных схем, поскольку для дополнительных входов затвора просто требовались дополнительные эмиттеры в области общей базы входного транзистора. Если бы использовались транзисторы в индивидуальном корпусе, стоимость всех транзисторов не позволила бы использовать такую входную структуру. Но в интегральной схеме дополнительные эмиттеры для дополнительных входов затвора увеличивают лишь небольшую площадь.
По крайней мере, один производитель компьютеров, IBM, создал свои собственные интегральные схемы с перевернутым кристаллом с TTL; эти чипы были установлены на керамических многочиповых модулях. [26] [27]
Устройства TTL потребляют значительно больше энергии, чем эквивалентные устройства CMOS в состоянии покоя, но энергопотребление не увеличивается с тактовой частотой так быстро, как для устройств CMOS. [28] По сравнению с современными схемами ECL , TTL потребляет меньше энергии и имеет более простые правила проектирования, но существенно медленнее. Разработчики могут комбинировать устройства ECL и TTL в одной системе для достижения наилучшей общей производительности и экономичности, но между двумя семействами логических систем требуются устройства переключения уровней. ТТЛ менее чувствителен к повреждению электростатическим разрядом , чем ранние КМОП-устройства.
Из-за выходной структуры ТТЛ-устройств выходное сопротивление асимметрично между высоким и низким состоянием, что делает их непригодными для управления линиями передачи. Этот недостаток обычно преодолевается путем буферизации выходов с помощью специальных устройств линейного драйвера, где сигналы необходимо передавать по кабелям. ECL, благодаря своей симметричной структуре с низким импедансом, лишен этого недостатка.
Выходная структура TTL «тотемный полюс» часто имеет мгновенное перекрытие, когда и верхний, и нижний транзисторы являются проводящими, что приводит к значительному импульсу тока, потребляемого от источника питания. Эти импульсы могут неожиданным образом соединяться между несколькими корпусами интегральных схем, что приводит к снижению запаса по шуму и снижению производительности. Системы TTL обычно имеют развязывающий конденсатор для каждого одного или двух корпусов микросхем, чтобы импульс тока от одного чипа TTL не мгновенно уменьшал напряжение питания другого.
С середины 1980-х годов несколько производителей поставляют эквиваленты КМОП-логики с ТТЛ-совместимыми входными и выходными уровнями, обычно имеющие номера деталей, аналогичные эквивалентному ТТЛ-компоненту, и с такими же выводами . Например, серия 74HCT00 обеспечивает множество замен для биполярных деталей серии 7400 , но использует технологию CMOS .
Последующие поколения технологий создавали совместимые детали с улучшенным энергопотреблением или скоростью переключения, или и тем, и другим. Хотя производители единообразно продавали эти различные линейки продуктов как TTL с диодами Шоттки , некоторые из базовых схем, например, используемых в семействе LS, скорее можно было бы считать DTL . [29]
Вариации и преемники базового семейства TTL, которое имеет типичную задержку распространения затвора 10 нс и рассеиваемую мощность 10 мВт на затвор, для продукта мощности-задержки (PDP) или энергии переключения около 100 пДж , включают:
Большинство производителей предлагают коммерческие и расширенные температурные диапазоны: например, детали серии Texas Instruments 7400 рассчитаны на диапазон от 0 до 70 °C, а устройства серии 5400 — на температурный диапазон военных спецификаций от -55 до +125 °C.
Специальные уровни качества и высоконадежные детали доступны для военного и аэрокосмического применения.
Радиационно-стойкие устройства (например, серии SNJ54) предлагаются для космического применения.
До появления устройств СБИС интегральные схемы TTL были стандартным методом построения процессоров мини-компьютеров и мэйнфреймов среднего уровня , таких как DEC VAX и Data General Eclipse ; однако некоторые семейства компьютеров были основаны на собственных компонентах (например, Fairchild CTL), в то время как суперкомпьютеры и мэйнфреймы высокого класса использовали логику, связанную с эмиттером . Они также использовались для такого оборудования, как числовое управление станками, принтеры и терминалы с видеодисплеями, а также по мере того, как микропроцессоры становились более функциональными для приложений «связывающей логики», таких как декодеры адресов и драйверы шин, которые связывают вместе функциональные блоки, реализованные в элементах СБИС. . Gigatron TTL — это более поздний (2018 г.) пример процессора, полностью построенный на интегральных схемах TTL.
Хотя инвертор TTL изначально был разработан для обработки цифровых сигналов логического уровня, его можно использовать как аналоговый усилитель. Подключение резистора между выходом и входом смещает ТТЛ-элемент как усилитель с отрицательной обратной связью . Такие усилители могут быть полезны для преобразования аналоговых сигналов в цифровой формат, но обычно не используются там, где основной целью является аналоговое усиление. [30] ТТЛ-инверторы также могут использоваться в кварцевых генераторах , где их аналоговая способность усиления значительна.
ТТЛ-вентиль может непреднамеренно работать как аналоговый усилитель, если вход подключен к медленно меняющемуся входному сигналу, который пересекает неопределенную область от 0,8 В до 2 В. Выходной сигнал может быть неустойчивым, когда входной сигнал находится в этом диапазоне. Медленное изменение входного сигнала, подобное этому, также может привести к избыточному рассеиванию мощности в выходной цепи. Если необходимо использовать такой аналоговый вход, существуют специальные TTL-детали с входами триггера Шмитта , которые надежно преобразуют аналоговый вход в цифровое значение, эффективно работая как однобитовый аналого-цифровой преобразователь.
Последовательный TTL относится к несимметричной последовательной связи с использованием необработанных уровней напряжения транзистора: «низкий» для 0 и «высокий» для 1. [31] Последовательный порт UART через TTL является распространенным интерфейсом отладки для встроенных устройств. Портативные устройства, такие как графические калькуляторы, GPS- приемники и эхолоты , соответствующие стандарту NMEA 0183 , также обычно используют UART с TTL. Последовательный порт TTL является стандартом де-факто : строгих требований к электробезопасности не существует. Модули драйвер-приемник взаимодействуют между TTL и последовательными стандартами дальнего действия: одним из примеров является MAX232 , который преобразует сигнал из и в RS-232 . [32]
Дифференциальный TTL — это последовательный TTL, передаваемый по дифференциальной паре с дополнительными уровнями, что обеспечивает значительно повышенную помехоустойчивость. Сигналы RS -422 и RS-485 могут генерироваться с использованием уровней TTL. [33]
CcTalk основан на уровнях напряжения TTL.
Устройства [74-й серии] обычно заключены в пластиковый 14-контактный, 16-контактный или 24-контактный двухканальный корпус (DIP).
