Транзисторно-транзисторная логика - Transistor–transistor logic

Транзисторно-транзисторная логика (TTL) это логическая семья построен из биполярные переходные транзисторы. Его название означает, что транзисторы выполняют как логическую функцию (первый «транзистор»), так и функцию усиления (второй «транзистор»), в отличие от резисторно-транзисторная логика (RTL) или диодно-транзисторная логика (DTL).

TTL интегральные схемы (ИС) широко использовались в таких приложениях, как компьютеры, промышленные средства управления, испытательное оборудование и приборы, бытовая электроника и синтезаторы. Иногда TTL-совместимые логические уровни не связаны напрямую с интегральными схемами TTL, например, они могут использоваться на входах и выходах электронных приборов.[1]

После их внедрения в виде интегральных схем в 1963 г. Продукция Sylvania Electric Интегральные схемы TTL производились несколькими полупроводниковыми компаниями. В 7400 серии от Инструменты Техаса стал особенно популярным. Производители TTL предложили широкий выбор логические ворота, шлепки, счетчики и другие схемы. Варианты оригинальной схемы TTL предлагали более высокую скорость или меньшее рассеивание мощности, что позволяло оптимизировать конструкцию. Изначально TTL-устройства изготавливались из керамики и пластика. двухрядный корпус (s) и в форме плоской упаковки. Некоторые чипы TTL теперь также производятся в технология поверхностного монтажа пакеты.

TTL стал основой компьютеров и другой цифровой электроники. Даже после Очень крупномасштабная интеграция (СБИС) CMOS Интегральная схема микропроцессоры сделали многочиповые процессоры устаревшими, устройства TTL по-прежнему широко используются в качестве клей логика взаимодействие между более плотно интегрированными компонентами.

История

Часы реального времени, построенные на микросхемах TTL около 1979 года.

TTL был изобретен в 1961 году Джеймс Л. Буйе из TRW, который заявил, что это «особенно подходит для недавно развивающейся технологии проектирования интегральных схем». Первоначальное название TTL было транзисторная логика (TCTL).[2] Первые коммерческие устройства TTL с интегральной схемой были изготовлены компанией Sylvania в 1963 году и назывались семейством универсальных логических схем Sylvania (SUHL).[3] Детали Sylvania использовались в управлении Ракета Феникс.[3] TTL стал популярным среди разработчиков электронных систем после Инструменты Техаса представила серию ИС 5400 с военным температурным диапазоном в 1964 г. и позже 7400 серии в более узком диапазоне и в недорогой пластиковой упаковке в 1966 году.[4]

Семейство Texas Instruments 7400 стало отраслевым стандартом. Совместимые детали были изготовлены Motorola, AMD, Fairchild, Intel, Интерсил, Печатки, Mullard, Сименс, SGS-Thomson, Рифа, National Semiconductor,[5][6] и многие другие компании, даже в Восточном блоке (Советский Союз, ГДР, Польша, Чехословакия, Венгрия, Румыния - подробнее см. 7400 серии ). Не только другие производители сделали совместимые части TTL, но и совместимые части были сделаны с использованием многих других схемотехнических технологий. Как минимум один производитель, IBM, производил несовместимые TTL схемы для собственных нужд; IBM использовала эту технологию в IBM System / 38, IBM 4300, и IBM 3081.[7]

Термин «TTL» применяется ко многим последовательным поколениям биполярный логика, 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 микросхемы более общего назначения во многих устаревших технологических семействах, хотя и по более высоким ценам. Обычно микросхемы TTL содержат не более нескольких сотен транзисторов каждый. Функции в рамках одного пакета обычно варьируются от нескольких логические ворота к микропроцессору бит-ломтик. TTL также стал важным, потому что его низкая стоимость сделала цифровые методы экономически практичными для задач, которые ранее выполнялись аналоговыми методами.[9]

В Кенбак-1, предок первого персональные компьютеры, использовал TTL для ЦПУ вместо микропроцессор чип, которого не было в 1971 году.[10] В Datapoint 2200 с 1970 года использовал компоненты TTL для своего процессора и был основой для 8008 а позже x86 Набор инструкций.[11] 1973 год Xerox Alto и 1981 Звезда рабочие станции, которые представили графический интерфейс пользователя, использованы схемы TTL, интегрированные на уровне арифметико-логические устройства (ALU) и битовые фрагменты соответственно. Большинство компьютеров использовали TTL-совместимые "клей логика "между более крупными микросхемами еще в 1990-е годы. До появления программируемая логика, дискретная биполярная логика была использована для прототипирования и подражать микроархитектуры в разработке.

Реализация

Фундаментальный TTL-гейт

Два входа TTL Ворота NAND с простым выходным каскадом (упрощенно)

Входы TTL - это эмиттеры биполярных транзисторов. В случае входов NAND входы являются эмиттерами транзисторы с несколькими эмиттерами, функционально эквивалентен нескольким транзисторам, в которых базы и коллекторы связаны вместе.[12] Вывод буферизируется общий эмиттер усилитель мощности.

Входы оба логические. Когда все входы находятся под высоким напряжением, переходы база-эмиттер транзистора с несколькими эмиттерами имеют обратное смещение. В отличие от DTL, каждый из входов потребляет небольшой «коллекторный» ток (примерно 10 мкА). Это потому, что транзистор находится в обратно-активный режим. Приблизительно постоянный ток течет от положительной шины через резистор к базе транзистора с несколькими эмиттерами.[13] Этот ток проходит через переход база-эмиттер выходного транзистора, позволяя ему проводить и подтягивая выходное напряжение к низкому уровню (логическому нулю).

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 входное напряжение становится равным нулю, соответствующий переход база-эмиттер транзистора с множеством эмиттеров параллелен этим двум переходам. Явление, называемое управлением током, означает, что когда два элемента со стабильным напряжением с разными пороговыми напряжениями соединены параллельно, ток течет по пути с меньшим пороговым напряжением. То есть ток течет из этого входа в источник нулевого (низкого) напряжения. В результате через базу выходного транзистора не протекает ток, в результате чего он перестает проводить, и выходное напряжение становится высоким (логической единицей). Во время перехода входной транзистор ненадолго находится в своей активной области; поэтому он отводит большой ток от базы выходного транзистора и, таким образом, быстро разряжает его базу. Это важное преимущество TTL перед DTL, которое ускоряет переход через структуру диодного входа.[14]

Основным недостатком TTL с простым выходным каскадом является относительно высокое выходное сопротивление при выходной логической «1», которое полностью определяется резистором выходного коллектора. Он ограничивает количество входов, которые могут быть подключены ( разветвление ). Некоторым преимуществом простого выходного каскада является высокий уровень напряжения (до VCC) выхода логической "1", когда выход не загружен.

В обычном варианте отсутствует коллекторный резистор выходного транзистора, что делает открытый коллектор вывод. Это позволяет разработчику изготавливать логику, соединяя вместе выходы с открытым коллектором нескольких логических вентилей и обеспечивая единый внешний подтягивающий резистор. Если какой-либо из логических элементов становится низким логическим значением (проводящий транзистор), общий выходной сигнал будет низким. Примером этого типа ворот являются ворота 7401[15] и 7403 серии. Выходы с открытым коллектором некоторых ворот имеют более высокое максимальное напряжение, например 15 В для 7426,[16] полезно при вождении с нагрузками, отличными от TTL.

ТТЛ с выходным каскадом типа "тотем-полюс"

Стандартный TTL NAND с выходным каскадом типа «тотем-полюс», один из четырех в 7400

Чтобы решить проблему с высоким выходным сопротивлением простого выходного каскада, вторая схема добавляет к этому "тотем-полюс" ("тяни-Толкай ") выход. Он состоит из двух n-p-n транзисторов V3 и V4, «подъемный» диод V5 и токоограничивающий резистор R3 (см. рисунок справа). Он управляется применением тех же текущее рулевое управление идея, как указано выше.

Когда V2 "выключено", V4 также "выключено" и V3 работает в активном регионе как повторитель напряжения вырабатывает высокое выходное напряжение (логическая «1»).

Когда V2 включен, он активирует V4, выводя на выход низкое напряжение (логический "0"). Снова наблюдается эффект управления током: последовательная комбинация V2соединение C-E и V4соединение B-E параллельно серии V3 B-E, V5анод-катодный переход, а V4 C-E. Вторая последовательная комбинация имеет более высокое пороговое напряжение, поэтому через нее не протекает ток, то есть V3 базовый ток лишен. Транзистор V3 выключается и не влияет на вывод.

В середине перехода резистор R3 ограничивает ток, протекающий непосредственно через последовательно включенный транзистор V3, диод V5 и транзистор V4 которые все проводят. Он также ограничивает выходной ток в случае выхода логической «1» и короткого замыкания на землю. Сила затвора может быть увеличена без пропорционального воздействия на потребляемую мощность путем удаления подтягивающих и понижающих резисторов с выходного каскада.[17][18]

Основным преимуществом TTL с выходным каскадом типа «тотем-полюс» является низкое выходное сопротивление на выходе логической «1». Он определяется верхним выходным транзистором V3 работает в активном регионе как эмиттер-повторитель. Резистор R3 не увеличивает выходное сопротивление, так как он подключен к V3 коллектор и его влияние компенсируется отрицательной обратной связью. Недостатком выходного каскада типа «тотем-полюс» является пониженный уровень напряжения (не более 3,5 В) выходной логической «1» (даже если выход не загружен). Причина этого снижения - падение напряжения на V3 база-эмиттер и V5 переходы анод – катод.

Соображения по взаимодействию

Как и DTL, TTL - это логика снижения тока поскольку от входов должен поступать ток, чтобы довести их до уровня напряжения логического 0. Управляющий каскад должен потреблять до 1,6 мА от стандартного входа TTL, не позволяя при этом повышать напряжение до более 0,4 вольт.[19] Выходной каскад наиболее распространенных затворов TTL предназначен для правильной работы при управлении до 10 стандартных входных каскадов (разветвление 10). Входы TTL иногда просто оставляют плавающими, чтобы обеспечить логическую «1», хотя такое использование не рекомендуется.[20]

Стандартные схемы TTL работают с 5-вольт источник питания. Входной сигнал TTL определяется как «низкий», когда между 0 В и 0,8 В относительно клеммы заземления, и «высокий», когда между 2 В и В.CC (5 В),[21][22] и если сигнал напряжения в диапазоне от 0,8 В до 2,0 В подается на вход затвора TTL, нет определенного ответа от затвора, и поэтому он считается «неопределенным» (точные логические уровни незначительно различаются между подтипами и температура). Выходы TTL обычно ограничены более узкими пределами от 0,0 В до 0,4 В для «низкого» и от 2,4 В до В.CC для «высокого», обеспечивая не менее 0,4 В помехозащищенность. Стандартизация уровней TTL настолько повсеместна, что сложные печатные платы часто содержат микросхемы TTL, сделанные многими разными производителями, выбранными по доступности и стоимости, при этом совместимость гарантируется. Два блока печатных плат, снятые с одной сборочной линии в разные дни или недели подряд, могут иметь разные марки микросхем на одних и тех же позициях на плате; возможен ремонт микросхем, изготовленных на годы позже оригинальных компонентов. В довольно широких пределах логические вентили можно рассматривать как идеальные булевы устройства, не обращая внимания на электрические ограничения. Запас шума 0,4 В является достаточным из-за низкого выходного сопротивления каскада драйвера, то есть большая мощность шума, накладываемая на выход, необходима для вывода входа в неопределенную область.

В некоторых случаях (например, когда выход логического элемента TTL должен использоваться для управления входом элемента CMOS), уровень напряжения выходного каскада «тотем-полюс» на выходе логической «1» может быть увеличен ближе к VCC подключив внешний резистор между V3 коллектор и положительная рейка. Это тянет V5 катод и отключает диод.[23] Однако этот метод фактически преобразует сложный выходной сигнал типа «тотем-полюс» в простой выходной каскад, имеющий значительное выходное сопротивление при возбуждении высокого уровня (определяемого внешним резистором).

Упаковка

Как и большинство интегральных схем периода 1963–1990, коммерческие TTL-устройства обычно упаковываются в двухрядные пакеты (DIP), обычно от 14 до 24 контактов,[24] для сквозное отверстие или монтаж в розетку. Корпуса из эпоксидного пластика (PDIP) часто использовались для компонентов промышленного диапазона температур, в то время как керамические корпуса (CDIP) использовались для компонентов военного диапазона температур.

Луч-ведущий Матрицы кристаллов без корпусов были сделаны для сборки в более крупные массивы как гибридные интегральные схемы. Детали для военного и авиакосмического применения были упакованы в плоские пакеты, форма корпуса 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 диапазоне типов, чем корпуса для сквозных отверстий.

TTL особенно хорошо подходит для биполярных интегральных схем, потому что дополнительные входы в затвор просто требовали дополнительных эмиттеров на общей базовой области входного транзистора. Если бы использовались индивидуально упакованные транзисторы, стоимость всех транзисторов помешала бы 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, построил собственное перевернуть чип интегральные схемы с TTL; Эти микросхемы были установлены на керамических многокристальных модулях.[25][26]

Сравнение с другими логическими семействами

Основная статья: Семья логики

Устройства TTL потребляют значительно больше энергии, чем аналог CMOS устройства в состоянии покоя, но потребление энергии не увеличивается с увеличением тактовой частоты так же быстро, как для устройств CMOS.[27] По сравнению с современными ECL В схемах TTL потребляет меньше энергии и имеет более простые правила проектирования, но значительно медленнее. Разработчики могут комбинировать устройства ECL и TTL в одной системе для достижения наилучшей общей производительности и экономии, но между двумя семействами логики требуются устройства переключения уровня. TTL менее чувствителен к урону от электростатический разряд чем ранние устройства CMOS.

Из-за выходной структуры TTL-устройств выходной импеданс асимметричен между высоким и низким состояниями, что делает их непригодными для управления линиями передачи. Этот недостаток обычно преодолевается за счет буферизации выходов с помощью специальных устройств линейного драйвера, когда сигналы должны передаваться по кабелям. ECL, в силу своей симметричной выходной структуры с низким сопротивлением, лишен этого недостатка.

Структура «тотемно-полюсного» выхода TTL часто имеет кратковременное перекрытие, когда и верхний, и нижний транзисторы проводят ток, что приводит к значительному импульсу тока, потребляемого от источника питания. Эти импульсы могут неожиданным образом соединяться между несколькими корпусами интегральных схем, что приводит к уменьшению запаса по шуму и снижению производительности. Системы TTL обычно имеют развязывающий конденсатор для каждого одного или двух корпусов ИС, так что импульс тока от одной микросхемы TTL не снижает мгновенно напряжение питания на другом.

Некоторые производители в настоящее время поставляют эквиваленты логики CMOS с TTL-совместимыми уровнями входа и выхода, обычно с номерами деталей, аналогичными эквивалентным компонентам TTL, и с такими же распиновка. Например, серия 74HCT00 предлагает множество вариантов замены биполярного 7400 серии части, но использует CMOS технологии.

Подтипы

Последовательные 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 Диоды Шоттки, некоторые из базовых схем, например, используемых в семействе LS, скорее можно было бы рассматривать DTL.[28]

Варианты и преемники основного семейства TTL, которое имеет типичную задержку распространения на затворе 10 нс и рассеиваемую мощность 10 мВт на затвор для продукт задержки мощности (PDP) или переключение энергии около 100 пДж, включают:

  • Маломощный TTL (L), в котором скорость переключения (33 нс) заменяется снижением энергопотребления (1 мВт) (теперь по существу заменено на CMOS логика)
  • Высокоскоростной TTL (H), с более быстрым переключением, чем стандартный TTL (6 нс), но значительно более высоким рассеиваемой мощностью (22 мВт)
  • Шоттки TTL (S), представленный в 1969 году, который использовал Диод Шоттки зажимы на входах затвора для предотвращения накопления заряда и сокращения времени переключения. Эти ворота работали быстрее (3 нс), но имели более высокую рассеиваемую мощность (19 мВт).
  • Маломощный TTL Шоттки (LS) - использует более высокие значения сопротивления маломощного TTL и диодов Шоттки, чтобы обеспечить хорошее сочетание скорости (9,5 нс) и пониженного энергопотребления (2 мВт), а также PDP около 20 пДж. Вероятно, наиболее распространенный тип TTL, они использовались в качестве связующей логики в микрокомпьютерах, по существу заменяя бывшие подсемейства H, L и S.
  • Быстрый (F) и Продвинутый-Шоттки (AS) варианты LS от Fairchild и TI, соответственно, около 1985 года, с "Миллер -killer »для ускорения перехода от низкого к высокому. Эти семейства достигли PDP 10 пДж и 4 пДж соответственно, что является самым низким из всех семейств TTL.
  • Низковольтный TTL (LVTTL) для источников питания 3,3 В и интерфейса памяти.

Большинство производителей предлагают коммерческие и расширенные диапазоны температур: например, Texas Instruments. 7400 серии детали рассчитаны на температуру от 0 до 70 ° C, а устройства серии 5400 - в диапазоне температур, соответствующих военным техническим условиям, от -55 до +125 ° C.

Доступны специальные уровни качества и высоконадежные детали для военного и аэрокосмического применения.

Радиационно стойкий устройства (например, из серии SNJ54) предлагаются для космических приложений.

Приложения

До появления СБИС устройств, интегральные схемы TTL были стандартным методом построения для процессоров миникомпьютер и мэйнфрейм компьютеры; такой как DEC VAX и Данные General Eclipse, а также для такого оборудования, как числовое программное управление станков, принтеры и видеотерминалы. Так как микропроцессоры стали более функциональными, TTL-устройства стали важными для приложений "связующей логики", таких как драйверы быстрой шины на материнской плате, которые связывают вместе функциональные блоки, реализованные в элементах СБИС.

Аналоговые приложения

Первоначально разработанный для обработки цифровых сигналов логического уровня, инвертор TTL может использоваться как аналоговый усилитель. Подключение резистора между выходом и входом смещает элемент TTL как усилитель отрицательной обратной связи. Такие усилители могут быть полезны для преобразования аналоговых сигналов в цифровую область, но обычно не будут использоваться там, где аналоговое усиление является основной целью.[29] Инверторы TTL также могут использоваться в кварцевые генераторы где значительна их способность аналогового усиления.

Затвор TTL может непреднамеренно работать как аналоговый усилитель, если вход подключен к медленно изменяющемуся входному сигналу, который пересекает неуказанную область от 0,8 В до 2 В. Выход может быть нестабильным, когда вход находится в этом диапазоне. Подобный медленно меняющийся входной сигнал также может вызвать избыточное рассеивание мощности в выходной цепи. Если необходимо использовать такой аналоговый вход, существуют специальные части TTL с Триггер Шмитта доступные входы, которые надежно преобразуют аналоговый вход в цифровое значение, эффективно работая как однобитный аналого-цифровой преобразователь.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Эрен, Х. (2003), Переносные электронные приборы: конструкция и применение, CRC Press, ISBN  0-8493-1998-6
  2. ^ США 3283170, Буйе, Джеймс Л., "Логические схемы транзисторов связи и другие схемы", выпущенный 01.11.1966, переданный TRW Semiconductors, Inc. 
  3. ^ а б Музей истории компьютеров. 1963 - Представлены стандартные логические семейства. 2007. Проверено 16 апреля 2008 г.
  4. ^ Лойек, Бо (2006), История полупроводниковой техники, Springer, стр. 212–215, ISBN  3-540-34257-5
  5. ^ Инженерный состав. Книга данных TTL для инженеров-проектировщиков. 1-е изд. Даллас: Texas Instruments. 1973 г.
  6. ^ Тернер, Л. У., изд. (1976), Справочник инженера-электронщика (4-е изд.), Лондон: Ньюнес-Баттерворт, ISBN  0408001682
  7. ^ Pittler, M. S .; Пауэрс, Д. М .; Шнабель, Д. Л. (1982), «Системное развитие и технологические аспекты процессорного комплекса IBM 3081» (PDF), Журнал исследований и разработок IBM, 26 (1): 2–11, Дои:10.1147 / рд.261.0002, п. 5.
  8. ^ Инструменты Техаса. Продвинутая семья Шоттки. 1985. Проверено 17 сентября 2008 года.
  9. ^ Ланкастер, D (1975), Поваренная книга TTL, Индианаполис: Ховард В. Сэмс и Ко, стр.предисловие, ISBN  0-672-21035-5
  10. ^ Кляйн, Э. Кенбак-1. Vintage-Computer.com. 2008 г.
  11. ^ Ламонт Вуд, «Забытая история ПК: Истинное происхождение персонального компьютера» В архиве 2008-08-14 на Wayback Machine, Computerworld, 8 августа 2008 г.
  12. ^ Gray, Paul E .; Серл, Кэмпбелл Л. (1969), Принципы электроники, физика, модели и схемы (1-е изд.), Wiley, p. 870, г. ISBN  978-0471323983
  13. ^ Буйе 1966, столбец 4
  14. ^ Миллман, Дж. (1979), Цифровые и аналоговые схемы и системы микроэлектроники, Нью-Йорк: McGraw-Hill Book Company, стр.147, ISBN  0-07-042327-X
  15. ^ Лист данных SN7401 - Инструменты Техаса
  16. ^ SN7426 лист данных - Инструменты Техаса
  17. ^ Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ). Siliconfareast.com. 2005. Проверено 17 сентября 2008 г., с. 1.
  18. ^ Тала, Д. К. Цифровые логические ворота. Часть V. asic-world.com. 2006 г.
  19. ^ Лист данных SN7400 - Инструменты Техаса
  20. ^ Хазелофф, Эйльхард. «Проектирование с помощью логики» (PDF). TI.com. Texas Instruments Incorporated. стр. 6–7. Получено 27 октября 2018.
  21. ^ Логические уровни TTL
  22. ^ "DM7490A Десятичный и двоичный счетчик" (PDF). Fairchild. Получено 14 октября 2016.
  23. ^ Методы сопряжения TTL-CMOS В архиве 2010-09-19 на Wayback Machine
  24. ^ Марстон, Р. М. (2013). Руководство по современным схемам TTL. Эльзевир. п. 16. ISBN  9781483105185. Устройства [74-й серии] обычно заключены в пластмассовый 14-контактный, 16-контактный или 24-контактный двухрядный корпус (DIP).
  25. ^ Rymaszewski, E.J .; Walsh, J. L .; Лихан, Г. В. (1981), "Технология полупроводниковой логики в IBM", Журнал исследований и разработок IBM, 25 (5): 603–616, Дои:10.1147 / rd.255.0603
  26. ^ Серафим, Д. П .; Файнберг, И. (1981), "Эволюция электронной упаковки в IBM", Журнал исследований и разработок IBM, 25 (5): 617–630, Дои:10.1147 / rd.255.0617
  27. ^ Горовиц, Пол; Хилл, Уинфилд (1989), Искусство электроники (2-е изд.), Cambridge University Press, стр.970, ISBN  0-521-37095-7 утверждает: «... КМОП-устройства потребляют мощность пропорционально их частоте переключения ... На максимальной рабочей частоте они могут потреблять больше энергии, чем эквивалентные биполярные ТТЛ-устройства».
  28. ^ Эйерс, Дж. UConn EE 215 примечания к лекции 4. Веб-страница факультета Гарвардского университета. Архив веб-страницы Университета Коннектикута. нет данных Проверено 17 сентября 2008 года.
  29. ^ Вобшалл, Д. (1987), Проектирование электронных схем: аналоговые и цифровые устройства от датчика до дисплея (2-е изд.), Нью-Йорк: McGraw Hill, стр. 209–211, ISBN  0-07-071232-8

дальнейшее чтение

Смотрите также: Список книг об интегральных схемах серии 7400

внешние ссылки