Транзисторно-транзисторная логика ( ТТЛ ) — это семейство логических схем , построенных на биполярных транзисторах . 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 (РТЛ) и диодно-транзисторной логики (ДТЛ).
Интегральные схемы (ИС) ТТЛ широко использовались в таких приложениях, как компьютеры , промышленные контроллеры, испытательное оборудование и приборы, бытовая электроника и синтезаторы . [1]
После их внедрения в виде интегральной схемы в 1963 году компанией Sylvania Electric Products , интегральные схемы TTL производились несколькими полупроводниковыми компаниями. Особенно популярной стала серия 7400 от Texas Instruments . Производители TTL предлагали широкий спектр логических вентилей , триггеров , счетчиков и других схем. Вариации оригинальной конструкции схемы TTL обеспечивали более высокую скорость или более низкое рассеивание мощности, что позволяло оптимизировать конструкцию. Устройства TTL изначально изготавливались в керамических и пластиковых двухрядных корпусах и в плоском корпусе. Некоторые микросхемы TTL теперь также изготавливаются в корпусах с технологией поверхностного монтажа .
TTL стали основой компьютеров и другой цифровой электроники. Даже после того, как микропроцессоры на основе интегральных схем сверхбольшой интеграционной схемы (VLSI) CMOS сделали многокристальные процессоры устаревшими, устройства TTL все еще широко использовались в качестве связующего логического интерфейса между более плотно интегрированными компонентами.
TTL была изобретена в 1961 году Джеймсом Л. Буи из TRW , который заявил, что она «особенно подходит для недавно разработанной технологии проектирования интегральных схем». Первоначальное название TTL было транзисторно-связанная транзисторная логика (TCTL). [2] Первые коммерческие интегральные схемы TTL были произведены Sylvania в 1963 году и назывались семейством Sylvania Universal High-Level Logic (SUHL). [3] Детали Sylvania использовались в элементах управления ракеты Phoenix . [3] TTL стала популярной среди разработчиков электронных систем после того, как Texas Instruments представила серию ИС 5400 с военным температурным диапазоном в 1964 году и более позднюю серию 7400 , специфицированную для более узкого диапазона и с недорогими пластиковыми корпусами, в 1966 году. [4]
Семейство Texas Instruments 7400 стало отраслевым стандартом. Совместимые детали производились Motorola , AMD , Fairchild , Intel , Intersil , Signetics , Mullard , Siemens , SGS-Thomson , Rifa , National Semiconductor , [5] [6] и многими другими компаниями, даже в Восточном блоке (Советский Союз, ГДР, Польша, Чехословакия, Венгрия, Румыния — подробности см. в серии 7400 ). Другие не только производили совместимые детали TTL, но и производили совместимые детали с использованием многих других схемных технологий. По крайней мере один производитель, IBM , производил несовместимые схемы TTL для собственного использования; IBM использовала эту технологию в IBM System/38 , IBM 4300 и IBM 3081. [ 7]
Термин «ТТЛ» применяется ко многим последующим поколениям биполярной логики с постепенным улучшением скорости и энергопотребления в течение примерно двух десятилетий. Последнее представленное семейство 74Fxx все еще продается сегодня (по состоянию на 2019 год) и широко использовалось в конце 90-х годов. 74AS/ALS Advanced Schottky был представлен в 1985 году. [8] По состоянию на 2008 год Texas Instruments продолжает поставлять более универсальные микросхемы в многочисленных устаревших технологических семействах, хотя и по более высоким ценам. Обычно микросхемы ТТЛ объединяют не более нескольких сотен транзисторов каждая. Функции в одном корпусе обычно варьируются от нескольких логических вентилей до битового среза микропроцессора . ТТЛ также стала важной, потому что ее низкая стоимость сделала цифровые методы экономически практичными для задач, ранее выполнявшихся аналоговыми методами. [9]
Kenbak -1 , предок первых персональных компьютеров , использовал TTL для своего ЦП вместо микропроцессорного чипа, который не был доступен в 1971 году. [10] Datapoint 2200 с 1970 года использовал компоненты TTL для своего ЦП и был основой для 8008 и позже набора инструкций x86 . [11] Рабочие станции Xerox Alto 1973 года и Star 1981 года , которые представили графический пользовательский интерфейс , использовали схемы TTL, интегрированные на уровне арифметико-логических устройств (АЛУ) и битовых секций соответственно. Большинство компьютеров использовали TTL-совместимую « связующую логику » между более крупными чипами вплоть до 1990-х годов. До появления программируемой логики дискретная биполярная логика использовалась для прототипирования и эмуляции микроархитектур, находящихся в разработке.
Входы TTL являются эмиттерами биполярных транзисторов. В случае входов NAND входы являются эмиттерами многоэмиттерных транзисторов , функционально эквивалентных нескольким транзисторам, где базы и коллекторы связаны вместе. [12] Выход буферизуется усилителем с общим эмиттером .
Входы оба логические. Когда все входы удерживаются под высоким напряжением, переходы база-эмиттер транзистора с несколькими эмиттерами смещены в обратном направлении. В отличие от DTL, небольшой ток «коллектора» (приблизительно 10 мкА) потребляется каждым из входов. Это происходит потому, что транзистор находится в обратно-активном режиме . Приблизительно постоянный ток течет от положительной шины через резистор и в базу транзистора с несколькими эмиттерами. [13] Этот ток проходит через переход база-эмиттер выходного транзистора, позволяя ему проводить и подтягивая выходное напряжение к низкому уровню (логический ноль).
Входной логический ноль. Обратите внимание, что переход база-коллектор транзистора с несколькими эмиттерами и переход база-эмиттер выходного транзистора включены последовательно между нижней частью резистора и землей. Если одно входное напряжение становится равным нулю, соответствующий переход база-эмиттер транзистора с несколькими эмиттерами оказывается параллельным этим двум переходам. Явление, называемое токовым управлением, означает, что когда два стабильных по напряжению элемента с разными пороговыми напряжениями соединены параллельно, ток протекает по пути с меньшим пороговым напряжением. То есть ток течет из этого входа в источник нулевого (низкого) напряжения. В результате ток не протекает через базу выходного транзистора, в результате чего он перестает проводить, а выходное напряжение становится высоким (логической единицей). Во время перехода входной транзистор на короткое время находится в своей активной области; поэтому он отводит большой ток от базы выходного транзистора и, таким образом, быстро разряжает его базу. Это критическое преимущество TTL над 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 выходным коллекторным резистором. Это ограничивает количество входов, которые могут быть подключены (fanout ) . Некоторым преимуществом простого выходного каскада является высокий уровень напряжения (до V CC ) выходной логической «1», когда выход не нагружен.
Распространенная вариация исключает резистор коллектора выходного транзистора, создавая выход с открытым коллектором . Это позволяет разработчику изготавливать проводную логику , соединяя выходы с открытым коллектором нескольких логических вентилей вместе и предоставляя один внешний подтягивающий резистор . Если какой-либо из логических вентилей становится логически низким (транзистор проводит), объединенный выход будет низким. Примерами этого типа вентилей являются серии 7401 [15] и 7403 [16] . Выходы с открытым коллектором некоторых вентилей имеют более высокое максимальное напряжение, например 15 В для 7426, [17] полезное при управлении не-ТТЛ нагрузками.
Для решения проблемы с высоким выходным сопротивлением простого выходного каскада вторая схема добавляет к этому выход "тотемного столба" (" push-pull "). Он состоит из двух npn-транзисторов V 3 и V 4 , "подъемного" диода V 5 и токоограничивающего резистора R 3 (см. рисунок справа). Он управляется с применением той же идеи управления током , что и выше.
Когда V2 « выключен», V4 также «выключен», а V3 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"). Опять же, имеет место эффект управления током: последовательное соединение CE перехода V 2 и BE перехода V 4 параллельно соединению BE V 3 , анод-катод перехода V 5 и CE V 4. Второе последовательное соединение имеет более высокое пороговое напряжение, поэтому ток через него не течет, т. е. ток базы V 3 отсутствует. Транзистор V 3 "выключается", и это не влияет на выход.
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. Силу затвора можно увеличить без пропорционального влияния на потребление энергии, удалив подтягивающие и стягивающие резисторы из выходного каскада. [18] [19]
Основным преимуществом ТТЛ с выходным каскадом типа «тотем-поле» является малое выходное сопротивление на выходе логической «1». Оно определяется верхним выходным транзистором V 3 , работающим 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 типа «тотем-поле» является пониженный уровень напряжения (не более 3,5 В) выходной логической «1» (даже если выход не нагружен). Причинами этого снижения являются падения напряжения на переходах база–эмиттер V 3 и анод–катод V 5 .
Как и DTL, TTL является токосъемной логикой , поскольку ток должен поступать со входов, чтобы довести их до уровня напряжения логического 0. Управляющий каскад должен поглощать до 1,6 мА от стандартного входа TTL, не позволяя напряжению повышаться более чем до 0,4 вольт. [20] Выходной каскад наиболее распространенных вентилей TTL должен функционировать правильно 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 TTL работают с 5- вольтовым источником питания. Входной сигнал TTL определяется как «низкий», когда находится между 0 В и 0,8 В относительно заземляющего вывода, и «высокий», когда находится между 2 В и V CC (5 В), [22] [23] и если сигнал напряжения в диапазоне от 0,8 В до 2,0 В отправляется на вход вентиля TTL, нет определенного ответа от вентиля, и поэтому он считается «неопределенным» (точные логические уровни немного различаются между подтипами и температурой). Выходы TTL обычно ограничены более узкими пределами между 0,0 В и 0,4 В для «низкого» и между 2,4 В и V CC для «высокого», обеспечивая по крайней мере 0,4 В помехоустойчивости . Стандартизация уровней TTL настолько повсеместна, что сложные печатные платы часто содержат микросхемы TTL, изготовленные многими разными производителями, выбранными по доступности и стоимости, при этом совместимость гарантируется. Два блока печатных плат с одной и той же сборочной линии в разные последовательные дни или недели могут иметь разную смесь марок чипов в тех же позициях на плате; ремонт возможен с чипами, произведенными на годы позже оригинальных компонентов. В полезных широких пределах логические вентили можно рассматривать как идеальные булевы устройства, не заботясь об электрических ограничениях. Запасы шума 0,4 В достаточны из-за низкого выходного импеданса каскада драйвера, то есть для перемещения входа в неопределенную область требуется большое количество шумовой мощности, наложенной на выход.
В некоторых случаях (например, когда выход логического вентиля ТТЛ необходимо использовать для управления входом вентиля КМОП), уровень напряжения выходного каскада «тотемного столба» на выходе логической «1» можно увеличить ближе к V CC , подключив внешний резистор между коллектором V4 и положительной шиной. Он подтягивает катод V 5 и отсекает диод. [24] Однако эта техника фактически преобразует сложный выход «тотемного столба» в простой выходной каскад, имеющий значительное выходное сопротивление при управлении высоким уровнем (определяемым внешним резистором).
Как и большинство интегральных схем периода 1963–1990 гг., коммерческие устройства TTL обычно упаковываются в двухрядные корпуса (DIP), обычно с 14–24 контактами, [25] для монтажа в сквозное отверстие или гнездо. Корпуса из эпоксидного пластика (PDIP) часто использовались для коммерческих компонентов температурного диапазона, в то время как керамические корпуса (CDIP) использовались для деталей военного температурного диапазона.
Кристаллы чипов с балочным выводом без корпусов были сделаны для сборки в более крупные массивы в качестве гибридных интегральных схем. Детали для военных и аэрокосмических приложений были упакованы в плоские корпуса , форму корпуса для поверхностного монтажа, с выводами, подходящими для сварки или пайки с печатными платами. Сегодня [ когда? ] многие TTL-совместимые устройства доступны в корпусах для поверхностного монтажа, которые доступны в более широком спектре типов, чем корпуса для сквозного монтажа.
TTL особенно хорошо подходит для биполярных интегральных схем, поскольку дополнительные входы в затвор просто требуют дополнительных эмиттеров на общей базовой области входного транзистора. Если бы использовались транзисторы в индивидуальной упаковке, стоимость всех транзисторов отбила бы охоту использовать такую входную структуру. Но в интегральной схеме дополнительные эмиттеры для дополнительных входов затвора добавляют лишь небольшую площадь.
По крайней мере один производитель компьютеров, IBM, создал собственные интегральные схемы с перевернутыми кристаллами с ТТЛ; эти чипы были установлены на керамических многокристальных 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 у устройств CMOS. [28] По сравнению с современными схемами ECL , TTL потребляет меньше энергии и имеет более простые правила проектирования, но существенно медленнее. Разработчики могут объединять устройства ECL и TTL в одной системе для достижения наилучшей общей производительности и экономичности, но между двумя логическими семействами требуются устройства сдвига уровня. TTL менее чувствительна к повреждениям от электростатического разряда , чем ранние устройства CMOS.
Из-за структуры выходного сигнала устройств TTL выходной импеданс асимметричен между высоким и низким состоянием, что делает их непригодными для управления линиями передачи. Этот недостаток обычно преодолевается путем буферизации выходов с помощью специальных устройств драйвера линии, где сигналы должны передаваться по кабелям. ECL, благодаря своей симметричной структуре выходного сигнала с низким импедансом, лишен этого недостатка.
Структура выхода TTL "тотемного столба" часто имеет кратковременное перекрытие, когда и верхний, и нижний транзисторы проводят, что приводит к существенному импульсу тока, потребляемого от источника питания. Эти импульсы могут связываться неожиданным образом 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 IC, так что импульс тока от одного чипа TTL не приводит к кратковременному снижению напряжения питания другого.
С середины 1980-х годов несколько производителей поставляют эквиваленты логики КМОП с уровнями входов и выходов, совместимыми с ТТЛ, обычно имеющие номера деталей, аналогичные эквивалентным компонентам ТТЛ, и с теми же выводами . Например, серия 74HCT00 обеспечивает множество замен для биполярных деталей серии 7400 , но использует технологию КМОП .
Последующие поколения технологий производили совместимые детали с улучшенным энергопотреблением или скоростью переключения, или и тем, и другим. Хотя поставщики единообразно продавали эти различные линейки продуктов как TTL с диодами Шоттки , некоторые из базовых схем, например, используемые в семействе LS, скорее можно было бы считать DTL . [29]
Разновидности и преемники базового семейства ТТЛ, которые имеют типичную задержку распространения сигнала на затворе 10 нс и рассеиваемую мощность 10 мВт на затвор, для произведения мощности на задержку (PDP) или энергии переключения около 100 пДж , включают в себя:
Большинство производителей предлагают коммерческие и расширенные диапазоны температур: например, детали серии 7400 компании Texas Instruments рассчитаны на диапазон температур от 0 до 70 °C, а устройства серии 5400 — на диапазон температур военных спецификаций от −55 до +125 °C.
Для военной и аэрокосмической промышленности доступны специальные уровни качества и высоконадежные детали.
Для применения в космосе предлагаются радиационно-стойкие устройства (например, серии SNJ54).
До появления устройств VLSI интегральные схемы TTL были стандартным методом построения процессоров мини-компьютеров и средних мэйнфреймов , таких как DEC VAX и Data General Eclipse ; однако некоторые семейства компьютеров были основаны на фирменных компонентах (например, Fairchild CTL), в то время как суперкомпьютеры и высокопроизводительные мэйнфреймы использовали эмиттерно-связанную логику . Они также использовались для такого оборудования, как числовые программные управления станков, принтеры и видеотерминалы, а по мере того, как микропроцессоры становились более функциональными, для приложений «связующей логики», таких как декодеры адресов и драйверы шин, которые связывают воедино функциональные блоки, реализованные в элементах VLSI. Gigatron TTL является более поздним (2018 г.) примером процессора, полностью построенного на интегральных схемах TTL.
Первоначально разработанный для обработки цифровых сигналов логического уровня, инвертор TTL может быть смещен как аналоговый усилитель. Подключение резистора между выходом и входом смещает элемент TTL как усилитель с отрицательной обратной связью . Такие усилители могут быть полезны для преобразования аналоговых сигналов в цифровую область, но обычно не используются там, где аналоговое усиление является основной целью. [30] Инверторы TTL также могут использоваться в кварцевых генераторах , где их способность аналогового усиления значительна.
TTL-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. Выход может быть нестабильным, когда вход находится в этом диапазоне. Медленно меняющийся вход, подобный этому, может также вызвать избыточное рассеивание мощности в выходной цепи. Если необходимо использовать такой аналоговый вход, имеются специализированные TTL-части с триггерными входами Шмитта, которые надежно преобразуют аналоговый вход в цифровое значение, эффективно работая как однобитный АЦП.
Последовательный интерфейс TTL относится к несимметричной последовательной связи с использованием необработанных уровней напряжения транзистора: «низкий» для 0 и «высокий» для 1. [31] UART через последовательный интерфейс TTL является распространенным отладочным интерфейсом для встраиваемых устройств. Портативные устройства, такие как графические калькуляторы и совместимые с NMEA 0183 GPS- приемники и эхолоты, также обычно используют UART с TTL. Последовательный интерфейс TTL является лишь фактическим стандартом: строгих электрических правил нет. Интерфейс модулей драйвера и приемника между TTL и последовательными стандартами с большим радиусом действия: одним из примеров является MAX232 , который преобразует из RS-232 и в RS-232 . [32]
Дифференциальный TTL — это последовательный TTL, передаваемый по дифференциальной паре с дополнительными уровнями, что обеспечивает значительно повышенную устойчивость к шумам. Сигналы RS-422 и RS-485 могут быть получены с использованием уровней TTL. [33]
CcTalk основан на уровнях напряжения ТТЛ.
Устройства [74-й серии] обычно заключены в пластиковый 14-контактный, 16-контактный или 24-контактный двухрядный корпус (DIP).
