Transistor – tranzistorová logika - Transistor–transistor logic

Transistor -transistor logic ( TTL ) je logická rodina postavená z bipolárních tranzistorů . Jeho název znamená, že tranzistory plní logickou funkci (první „tranzistor“) i zesilovací funkci (druhý „tranzistor“), na rozdíl od logiky odpor - tranzistor (RTL) nebo logika dioda - tranzistor (DTL).

Integrované obvody TTL (IC) byly široce používány v aplikacích, jako jsou počítače , průmyslové ovládací prvky, testovací zařízení a přístrojové vybavení, spotřební elektronika a syntetizéry . Někdy nejsou logické úrovně kompatibilní s TTL přímo spojeny s integrovanými obvody TTL, mohou být například použity na vstupech a výstupech elektronických přístrojů.

Po jejich zavedení do formy integrovaných obvodů v roce 1963 společností Sylvania Electric Products byly integrované obvody TTL vyráběny několika polovodičovými společnostmi. Tyto série 7400 od společnosti Texas Instruments se stal zvláště populární. Výrobci TTL nabízeli širokou škálu logických bran , klopných obvodů , čítačů a dalších obvodů. Variace původního návrhu obvodu TTL nabízely vyšší rychlost nebo nižší ztrátový výkon, což umožnilo optimalizaci návrhu. Zařízení TTL byla původně vyráběna v keramických a plastových dvojitých řadových obalech a v ploché formě. Některé čipy TTL jsou nyní vyráběny také v technologických balíčcích pro povrchovou montáž .

TTL se stal základem počítačů a další digitální elektroniky. I když mikroprocesory s integrovanými obvody CMOS s integrovanými obvody Very Very Large-Scale Integration (VLSI) udělaly vícečipové procesory zastaralé, zařízení TTL stále našly široké využití jako rozhraní logiky lepidla mezi hustěji integrovanými součástmi.

Dějiny

Hodiny v reálném čase postavené z čipů TTL kolem roku 1979

TTL byl vynalezen v roce 1961 Jamesem L. Buie z TRW , který jej prohlásil, „zvláště vhodný pro nově se vyvíjející technologii návrhu integrovaných obvodů“. Původní název pro TTL byl tranzistorová logika tranzistoru (TCTL). První komerční TTL zařízení s integrovaným obvodem vyrobila společnost Sylvania v roce 1963, nazývaná rodina Sylvania Universal High-Level Logic Family (SUHL). Části Sylvania byly použity v ovládacích prvcích rakety Phoenix . TTL se stalo oblíbeným u návrhářů elektronických systémů poté, co společnost Texas Instruments představila v roce 1964 řadu 5400 integrovaných obvodů s vojenským teplotním rozsahem a pozdější řadu 7400 , specifikovanou v užším rozsahu as levnými plastovými obaly, v roce 1966.

Rodina Texas Instruments 7400 se stala průmyslovým standardem. Kompatibilní díly byly vyrobeny společnostmi Motorola , AMD , Fairchild , Intel , Intersil , Signetics , Mullard , Siemens , SGS-Thomson , Rifa , National Semiconductor a mnoha dalšími společnostmi, dokonce i ve východním bloku (Sovětský svaz, NDR, Polsko, Československo, Maďarsko, Rumunsko - podrobnosti viz řada 7400 ). Jiní nejen vyráběli kompatibilní díly TTL, ale kompatibilní díly byly vyráběny také pomocí mnoha dalších obvodových technologií. Nejméně jeden výrobce, IBM , vyráběl nekompatibilní obvody TTL pro vlastní potřebu; IBM použila technologii v systémech IBM System/38 , IBM 4300 a IBM 3081 .

Termín „TTL“ se používá pro mnoho po sobě následujících generací bipolární logiky s postupným zlepšováním rychlosti a spotřeby energie po dobu přibližně dvou desetiletí. Nejnověji představený rodinný model 74Fxx se prodává dodnes (od roku 2019) a byl široce používán až do konce 90. let. 74AS/ALS Advanced Schottky byl představen v roce 1985. Od roku 2008 společnost Texas Instruments pokračuje v dodávkách víceúčelových čipů v mnoha zastaralých technologických řadách, i když za zvýšené ceny. TTL čipy obvykle neintegrují více než několik set tranzistorů. Funkce v rámci jednoho balíčku se obvykle pohybují od několika logických bran po bitový řez mikroprocesoru . TTL se stal také důležitým, protože jeho nízké náklady učinily digitální techniky ekonomicky praktické pro úkoly dříve prováděné analogovými metodami.

Kenbak-1 , předchůdce z prvních osobních počítačů , který se používá TTL pro své CPU namísto mikroprocesoru čipu, která nebyla k dispozici v roce 1971. DATAPOINT 2200 z roku 1970 použitých TTL komponenty pro jeho CPU a byl základem pro 8008 a později x86 instrukční sadu. Pracovní stanice Xerox Alto z roku 1973 a 1981 Star , které zavedly grafické uživatelské rozhraní , používaly obvody TTL integrované na úrovni aritmetických logických jednotek (ALU), respektive bitů. Většina počítačů používala TTL kompatibilní „ lepicí logiku “ mezi většími čipy až do 90. let minulého století. Až do příchodu programovatelné logiky byla k prototypování a emulaci vyvíjených mikroarchitektur používána diskrétní bipolární logika .

Implementace

Základní TTL brána

Brána TTL NAND se dvěma vstupy s jednoduchým koncovým stupněm (zjednodušená)

Vstupy TTL jsou zářiče bipolárních tranzistorů. V případě vstupů NAND jsou vstupy zářiče tranzistorů s více emitory , funkčně ekvivalentní více tranzistorům, kde jsou báze a kolektory svázány dohromady. Výstup je pufrován společným zesilovačem emitorů .

Vstupuje do obou logických. Když jsou všechny vstupy udržovány na vysokém napětí, jsou křižovatky základny a emitoru tranzistoru s více emitory obrácené. Na rozdíl od DTL je každým ze vstupů odebírán malý „kolektorový“ proud (přibližně 10 µA). Důvodem je, že tranzistor je v reverzně aktivním režimu . Přibližně konstantní proud teče z kladné kolejnice, přes odpor a do základny tranzistoru s více emitory. Tento proud prochází spojením základny a emitoru výstupního tranzistoru, což mu umožňuje vést a táhnout nízké výstupní napětí (logická nula).

Vstupní logická nula. Všimněte si, že spojení báze a kolektoru tranzistoru s více vysílači a spojení základny a emitoru výstupního tranzistoru je v sérii mezi spodní částí rezistoru a zemí. Pokud se jedno vstupní napětí stane nulovým, je odpovídající přechod báze a emitoru tranzistoru s více emitory paralelně s těmito dvěma spojeními. Jev nazývaný proudové řízení znamená, že když jsou paralelně zapojeny dva napěťově stabilní prvky s různým prahovým napětím, proud protéká dráhou s menším prahovým napětím. To znamená, že proud teče z tohoto vstupu do zdroje nulového (nízkého) napětí. Výsledkem je, že základnou výstupního tranzistoru neproudí žádný proud, což způsobuje, že přestane vést a výstupní napětí bude vysoké (logické). Během přechodu je vstupní tranzistor krátce ve své aktivní oblasti; takže odebírá velký proud od základny výstupního tranzistoru a tím rychle vybije jeho základnu. To je zásadní výhoda TTL oproti DTL, která urychluje přechod přes diodovou vstupní strukturu.

Hlavní nevýhodou TTL s jednoduchým koncovým stupněm je relativně vysoký výstupní odpor na logickém výstupu „1“, který je zcela určen odporem výstupního kolektoru. Omezuje počet vstupů, které lze připojit ( fanout ). Určitou výhodou jednoduchého výstupního stupně je vysoká úroveň napětí (až V CC ) výstupní logické „1“, když výstup není načten.

Běžná varianta vynechává kolektorový rezistor výstupního tranzistoru, což vytváří výstup s otevřeným kolektorem . To umožňuje konstruktérovi vyrobit logiku spojením výstupů několika logických bran s otevřeným kolektorem dohromady a poskytnutím jediného externího výsuvného odporu . Pokud se některá z logických bran stane logicky nízkou (vedení tranzistoru), bude kombinovaný výstup nízký. Příklady tohoto typu brány jsou řady 7401 a 7403. Výstupy s otevřeným kolektorem některých bran mají vyšší maximální napětí, například 15 V pro 7426, užitečné při jízdě jinou zátěží než TTL.

TTL s koncovým stupněm „totem-pól“

Standardní TTL NAND s koncovým stupněm „totem-pól“, jedním ze čtyř v 7400

Aby se vyřešil problém s vysokým výstupním odporem jednoduchého koncového stupně, druhé schéma k tomu přidává výstup „totem-pole“ („ push-pull “). Skládá se ze dvou npn tranzistorů V 3 a V 4 , „zvedací“ diody V 5 a odporu omezujícího proud R 3 (viz obrázek vpravo). Řídí se aplikací stejné aktuální myšlenky řízení jako výše.

Když je V 2 „vypnuto“, V 4 je také „vypnuto“ a V 3 pracuje v aktivní oblasti jako sledovač napětí produkující vysoké výstupní napětí (logické „1“).

Když je V 2 „zapnuto“, aktivuje V 4 a přivádí na výstup nízké napětí (logická „0“). Opět je zde efekt řízení proudu: série kombinací V 2 CE křižovatky a V 4 BE křižovatky je paralelní s řadou V 3 BE, V 5 anodové a katodové křižovatky a V 4 CE . Druhá série kombinace má vyšší prahové napětí, takže žádný proud teče přes něj, tj V 3 základní proud je zbaven. Tranzistor V 3 se „vypne“ a nemá vliv na výstup.

Ve středu přechodu, odporu R 3 omezuje proud teče přímo přes sériově zapojený tranzistor V 3 , dioda V 5 a tranzistor V 4 , které jsou vodivé. Omezuje také výstupní proud v případě výstupního logického „1“ a krátkého připojení k zemi. Síla brány může být zvýšena, aniž by byla proporcionálně ovlivněna spotřeba energie odstraněním vytahovacích a stahovacích odporů z koncového stupně.

Hlavní výhodou TTL s koncovým stupněm „totem-pól“ je nízký výstupní odpor při logickém výstupu „1“. Je určen horním výstupním tranzistorem V 3 pracujícím v aktivní oblasti jako sledovač emitoru . Rezistor R 3 nezvyšuje výstupní odpor, protože je zapojen do kolektoru V 3 a jeho vliv je kompenzován negativní zpětnou vazbou. Nevýhodou koncového stupně „totem-pól“ je snížená úroveň napětí (ne více než 3,5 V) výstupní logické „1“ (i když je výstup uvolněn). Důvodem této redukce jsou poklesy napětí na křižovatkách V 3 základna - emitor a V 5 anoda - katoda.

Aspekty propojení

Stejně jako DTL je TTL logikou snižující proud, protože ze vstupů musí být odebírán proud, aby se dostaly na úroveň napětí logické 0. Řídicí stupeň musí absorbovat až 1,6 mA ze standardního vstupu TTL, aniž by umožnil nárůst napětí na více než 0,4 voltu. Výstupní stupeň nejběžnějších bran TTL je specifikován tak, aby správně fungoval při řízení až 10 standardních vstupních stupňů (fanout 10). Vstupy TTL jsou někdy jednoduše ponechány plovoucí, aby poskytly logické „1“, ačkoli toto použití se nedoporučuje.

Standardní obvody TTL pracují s 5voltovým napájecím zdrojem. Vstupní signál TTL je definován jako „nízký“, pokud je mezi 0 V a 0,8 V vzhledem k uzemňovací svorce, a „vysoký“, pokud je mezi 2 V a V CC (5 V), a pokud je napěťový signál v rozsahu mezi 0,8 V a 2,0 V je odesláno na vstup brány TTL, brána neposkytuje určitou odezvu, a proto je považována za „nejistou“ (přesné logické úrovně se mezi podtypy a teplotou mírně liší). TTL výstupy jsou obvykle omezeny na užší meze mezi 0,0 V a 0,4 V po „nízké“ a mezi 2,4 V a V CC na „vysoké“, poskytnutí alespoň 0,4 V a odolnost proti rušení . Standardizace úrovní TTL je tak všudypřítomná, že komplexní obvodové desky často obsahují čipy TTL vyrobené mnoha různými výrobci vybranými podle dostupnosti a nákladů, přičemž je zajištěna kompatibilita. Dvě jednotky plošných spojů ze stejné montážní linky v různých po sobě jdoucích dnech nebo týdnech mohou mít na desce jinou kombinaci značek čipů ve stejných pozicích; oprava je možná u čipů vyrobených o několik let později než u původních součástí. V rámci užitečně širokých limitů lze logické brány považovat za ideální booleovská zařízení bez obav o elektrická omezení. Okraje 0,4 V šumu jsou adekvátní kvůli nízké výstupní impedanci budicího stupně, to znamená, že je potřeba velké množství šumového výkonu překrývajícího se s výstupem pro řízení vstupu do nedefinované oblasti.

V některých případech (např. Když je třeba použít výstup logické brány TTL pro řízení vstupu brány CMOS), lze úroveň napětí koncového stupně „totem-pól“ na výstupním logickém „1“ zvýšit blíže na V CC připojením externího odporu mezi kolektor V 3 a kladnou lištu. To zastaví na V 5 katody a řezy-off diody. Tato technika však ve skutečnosti převádí sofistikovaný výstup „totem-pól“ na jednoduchý výstupní stupeň s významným výstupním odporem při řízení vysoké úrovně (určeno externím odporem).

Obal

Jako většina integrovaných obvodů z období 1963–1990 jsou komerční zařízení TTL obvykle balena v duálních řadových řadách (DIP), obvykle se 14 až 24 piny, pro montáž skrz otvor nebo do zásuvky. Epoxidové plastové (PDIP) obaly byly často používány pro komerční součásti teplotního rozsahu, zatímco keramické obaly (CDIP) byly použity pro části vojenského teplotního rozsahu.

Paprskové čipové matrice bez balíků byly vyrobeny pro montáž do větších polí jako hybridní integrované obvody. Díly pro vojenské a letecké aplikace byly zabaleny do flatpacků , což je forma obalu pro povrchovou montáž, s vývody vhodnými pro svařování nebo pájení na desky s plošnými spoji. Dnes je k dispozici mnoho zařízení kompatibilních s TTL v balíčcích pro povrchovou montáž, které jsou k dispozici v širším spektru typů než balíčky s průchozími otvory.

TTL je zvláště vhodný pro bipolární integrované obvody, protože další vstupy do brány pouze vyžadovaly další zářiče ve sdílené základní oblasti vstupního tranzistoru. Pokud by byly použity jednotlivě zabalené tranzistory, náklady na všechny tranzistory by odradily od používání takové vstupní struktury. Ale v integrovaném obvodu přidávají další zářiče pro další vstupy brány pouze malou plochu.

Nejméně jeden výrobce počítačů, IBM, vybudoval vlastní integrované obvody s flip čipem s TTL; tyto čipy byly namontovány na keramické vícečipové moduly.

Srovnání s jinými logickými rodinami

Hlavní článek: Logická rodina

Zařízení TTL spotřebovávají podstatně více energie než ekvivalentní zařízení CMOS v klidu, ale spotřeba energie se při hodinovém taktu nezvyšuje tak rychle jako u zařízení CMOS. Ve srovnání se současnými obvody ECL využívá TTL méně energie a má jednodušší pravidla návrhu, ale je podstatně pomalejší. Designéři mohou kombinovat zařízení ECL a TTL ve stejném systému, aby dosáhli nejlepšího celkového výkonu a hospodárnosti, ale mezi těmito dvěma logickými rodinami jsou požadována zařízení pro posun úrovně. TTL je méně citlivý na poškození elektrostatickým výbojem než raná zařízení CMOS.

Vzhledem k výstupní struktuře zařízení TTL je výstupní impedance asymetrická mezi vysokým a nízkým stavem, což je činí nevhodnými pro řízení přenosových vedení. Tuto nevýhodu lze obvykle překonat uložením výstupů do vyrovnávací paměti se speciálními zařízeními linkového ovladače, kde je třeba signály posílat kabely. ECL díky své symetrické výstupní struktuře s nízkou impedancí nemá tuto nevýhodu.

Výstupní struktura TTL „totem-pól“ se často momentálně překrývá, když vedou horní i dolní tranzistory, což má za následek podstatný impuls proudu odebíraného z napájecího zdroje. Tyto impulsy se mohou neočekávaně spojit mezi více balíčky integrovaných obvodů, což má za následek snížení rozpětí šumu a nižší výkon. Systémy TTL mají obvykle oddělovací kondenzátor pro každý jeden nebo dva balíčky IC, takže proudový impuls z jednoho čipu TTL na okamžik nesníží napájecí napětí do jiného.

Několik výrobců nyní dodává logické ekvivalenty CMOS se vstupními a výstupními úrovněmi kompatibilními s TTL, obvykle s čísly dílů podobnými ekvivalentní komponentě TTL a se stejnými vývody . Například řada 74HCT00 poskytuje mnoho náhradních náhrad za bipolární díly řady 7400 , ale využívá technologii CMOS .

Podtypy

Postupné generace technologií vyráběly kompatibilní díly se zlepšenou spotřebou energie nebo rychlostí přepínání nebo obojí. Ačkoli prodejci jednotně uváděli na trh tyto různé produktové řady jako TTL se Schottkyho diodami , některé základní obvody, například používané v rodině LS, lze spíše považovat za DTL .

Variace a nástupci základní rodiny TTL, která má typické zpoždění šíření brány 10ns a ztrátový výkon 10 mW na bránu, pro produkt zpoždění napájení (PDP) nebo spínací energii asi 100 pJ , zahrnují:

  • Nízkoenergetický TTL (L), který obchodoval se spínací rychlostí (33ns) za snížení spotřeby energie (1 mW) (nyní v podstatě nahrazen logikou CMOS )
  • Vysokorychlostní TTL (H), s rychlejším přepínáním než standardní TTL (6ns), ale výrazně vyšší ztrátový výkon (22 mW)
  • Schottky TTL (S), představený v roce 1969, který používal diodové svorky Schottky na vstupech brány, aby se zabránilo ukládání náboje a zlepšila se doba přepínání. Tyto brány pracovaly rychleji (3ns), ale měly vyšší ztrátový výkon (19 mW)
  • Nízkoenergetický Schottky TTL (LS)-používal vyšší hodnoty odporu nízkonapěťových TTL a Schottkyho diod k zajištění dobré kombinace rychlosti (9,5ns) a snížené spotřeby energie (2 mW) a PDP přibližně 20 pJ. Pravděpodobně nejběžnější typ TTL, tyto byly použity jako logika lepidla v mikropočítačích, v podstatě nahrazující dřívější podskupiny H, L a S.
  • Rychlé (F) a Advanced-Schottky (AS) varianty LS od Fairchild, respektive TI, kolem roku 1985, s obvody „ Miller- killer“ pro urychlení přechodu z nízkých na vysoké. Tyto rodiny dosáhly PDP 10 pJ respektive 4 pJ, což je nejnižší ze všech rodin TTL.
  • Nízkonapěťové TTL (LVTTL) pro 3,3voltové napájecí zdroje a paměťové rozhraní.

Většina výrobců nabízí komerční a rozšířené teplotní rozsahy: například díly řady Texas Instruments 7400 jsou dimenzovány od 0 do 70 ° C a zařízení řady 5400 v teplotním rozsahu vojenské specifikace −55 až +125 ° C.

Pro vojenské a letecké aplikace jsou k dispozici speciální úrovně kvality a vysoce spolehlivé díly.

Radiačně tvrzená zařízení (například z řady SNJ54) jsou nabízena pro vesmírné aplikace.

Aplikace

Před příchodem zařízení VLSI byly integrované obvody TTL standardní metodou konstrukce pro procesory minipočítačů a sálových počítačů; jako jsou DEC VAX a Data General Eclipse , a pro zařízení, jako jsou numerické ovládací prvky obráběcích strojů, tiskárny a terminály pro zobrazení videa. Jak se mikroprocesory staly funkčnějšími, začaly být zařízení TTL důležitá pro aplikace „lepicí logiky“, například ovladače rychlé sběrnice na základní desce, které spojují funkční bloky realizované v prvcích VLSI.

Analogové aplikace

Ačkoli byl původně navržen pro zpracování logických digitálních signálů, může být TTL měnič zkreslen jako analogový zesilovač. Připojení rezistoru mezi výstup a vstup zkresluje prvek TTL jako zesilovač negativní zpětné vazby . Takové zesilovače mohou být užitečné pro převod analogových signálů na digitální doménu, ale obvykle by nebyly použity tam, kde je primárním účelem analogové zesílení. Invertory TTL lze také použít v krystalových oscilátorech, kde je jejich schopnost analogového zesílení významná.

Brána TTL může neúmyslně fungovat jako analogový zesilovač, pokud je vstup připojen k pomalu se měnícímu vstupnímu signálu, který prochází nespecifikovanou oblastí od 0,8 V do 2 V. Výstup může být kolísavý, pokud je vstup v tomto rozsahu. Takto pomalu se měnící vstup může také způsobit nadměrný ztrátový výkon ve výstupním obvodu. Pokud je třeba použít takový analogový vstup, jsou k dispozici specializované části TTL se spouštěcími vstupy Schmitt, které spolehlivě převádějí analogový vstup na digitální hodnotu, což efektivně funguje jako jednobitový převodník A na D.

Viz také

Reference

Další čtení

Viz také: Seznam knih o integrovaných obvodech řady 7400

externí odkazy