Čo je tranzistorová tranzistorová logika (TTL) a jeho fungovanie

Logické brány ako NAND, NOR sa používajú v denných aplikáciách na vykonávanie logických operácií. Gates sa vyrábajú pomocou polovodičových zariadení ako BJT, diódy alebo FET. Rôzne brány sú konštruované pomocou integrovaných obvodov. Digitálne logické obvody sa vyrábajú v závislosti od konkrétnej technológie obvodov alebo logických skupín. Rôzne logické rodiny sú RTL (Resistor Transistor Logic), DTL (Diode Transistor Logic), TTL (Transistor-Transistor Logic), ECL (Emitter Coupled Logic) a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor Logic). Z toho sa RTL a DTL používajú zriedka. Tento článok pojednáva o prehľade a Transistor-Transistor Logic alebo TTL .

Logická história tranzistora-tranzistora

Logiku TTL alebo Transistor-Transistor Logic vynašiel v roku 1961 „James L. Buie z TRW“. Je vhodný na vývoj nových integrovaných obvodov. Skutočný názov tohto TTL je TCTL, čo znamená tranzistorovú logiku tranzistora. V roku 1963 boli výrobou prvých komerčných zariadení TTL navrhnuté „Sylvania“ známe ako SUHL alebo „Sylvania Universal High-Level Logic family“.

Potom, čo inžinieri z Texasu spustili v roku 1964 integrované obvody série 5400 s rozsahom vojenskej teploty, potom sa stala veľmi populárnou tranzistor-tranzistorová logika. Potom bola séria 7400 uvedená na trh v užšom rozmedzí v roku 1966.

Kompatibilné súčasti 7400 skupín spustených nástrojmi v Texase navrhlo niekoľko spoločností ako National Semiconductor, AMD, Motorola, Intel, Fairchild, Signetics, Intersil, Mullard, SGS-Thomson, Siemens, Rifa atď. spoločnosť ako IBM uviedla na trh nekompatibilné obvody využívajúce TTL pre vlastné použitie.

Logika tranzistora-tranzistora sa aplikovala na mnoho generácií bipolárnej logiky pomalým zlepšovaním rýchlosti a využitia energie počas približne dvoch desaťročí. Každý čip TTL zvyčajne obsahuje stovky tranzistorov. Všeobecne sa funkcie v jednom balíku pohybujú od logických hradiel po mikroprocesor.
Prvý počítač ako Kenbak-1 bol pre svoj procesor používaný ako tranzistor-tranzistorová logika ako náhrada mikroprocesora. V roku 1970 bol použitý Datapoint 2200 TTL komponentov a bol základom pre 8008 a potom inštrukčnú sadu x86.

GUI zavedené spoločnosťou Xerox alt v roku 1973, ako aj pracovnými stanicami Star v roku 1981, boli použité obvody TTL, ktoré sú začlenené na úrovni ALU.

Čo je tranzistor-tranzistorová logika (TTL)?

Transistor-Transistor Logic (TTL) je logická rodina zložená z BJT (bipolárne prechodové tranzistory). Ako už názov napovedá, tranzistor plní dve funkcie ako logiku a zosilnenie. Najlepšie príklady TTL sú logické brány, konkrétne brána NOR 7402 a brána NAND 7400.

Logika TTL obsahuje niekoľko tranzistorov, ktoré majú niekoľko žiaričov, ako aj niekoľko vstupov. Typy logiky TTL alebo tranzistor-tranzistor zahŕňajú hlavne štandardné TTL, rýchle TTL, Schottky TTL, vysokovýkonné TTL, nízkonapäťové TTL a pokročilé Schottky TTL.

Návrh logických brán TTL je možné realizovať pomocou rezistorov a BJT. Existuje niekoľko variantov TTL, ktoré sú vyvinuté pre rôzne účely, ako sú balíčky TTL vytvrdené žiarením pre vesmírne aplikácie a Schottkyho diódy s nízkym výkonom, ktoré môžu poskytnúť vynikajúcu kombináciu rýchlosti a menšej spotreby energie.

Typy logiky tranzistor-tranzistor

TTL sú k dispozícii v rôznych typoch a ich klasifikácia sa vykonáva na základe výstupov, ako je uvedené nižšie.

• Štandardná TTL
• Rýchly TTL
• Schottky TTL
• Vysokovýkonný TTL
• Nízky výkon TTL
• Pokročilá Schottky TTL.

Nízkonapäťový TTL pracuje s rýchlosťou prepínania 33ns, aby sa znížila spotreba energie napríklad o 1 mW. V súčasnosti to bolo nahradené logikou CMOS. Vysokorýchlostný protokol TTL má rýchlejšie prepínanie v porovnaní s normálnymi protokolmi TTL, napríklad 6ns. Má však vysoký stratový výkon ako 22 mW.

Schottky TTL bol uvedený na trh v roku 1969 a používa sa na zabránenie ukladaniu náboja na zvýšenie spínacieho času pomocou diódových svoriek Schottky na termináli brány. Tieto hradlové terminály fungujú v 3ns, ale zahŕňajú vysoký rozptyl energie, napríklad 19 mW

Nízka spotreba energie TTL využíva vysoké hodnoty odporu z nízkej spotreby energie TTL. Schottkyho diódy poskytnú dobrú kombináciu rýchlosti a zníženej spotreby energie, napríklad 2 mW. Toto je najbežnejší typ TTL, používaný ako logika lepidla v mikropočítačoch, v zásade nahrádza minulé podskupiny ako L, H & S.

Rýchly TTL sa používa na zvýšenie prechodu z nízkeho na vysoký. Tieto rodiny zodpovedajúcim spôsobom dosiahli PDP 4pJ a 10 pJ. LVTTL alebo nízkonapäťové TTL pre napájanie 3,3 V, ako aj prepojenie pamätí.

Väčšina dizajnérov poskytuje komerčné aj rozsiahle teplotné rozsahy. Napríklad teplotný rozsah dielov série 7400 od spoločnosti Texas Instruments sa pohybuje od 0 - 70 ° C, rovnako ako rozsah teplôt série 5400 je od -55 do +125 ° C. Súčiastky s vysokou spoľahlivosťou a špeciálnou kvalitou sú prístupné pre letecké a vojenské aplikácie, zatiaľ čo radiačné zariadenia zo série SNJ54 sa používajú v kozmických aplikáciách.

Charakteristiky TTL

Medzi vlastnosti TTL patria nasledujúce.

1. Fan Out: Počet zaťažení, ktoré môže výstup brány GATE riadiť bez toho, aby to malo vplyv na jej obvyklý výkon. Zaťažením rozumieme množstvo prúdu, ktoré vyžaduje vstup ďalšej brány pripojenej na výstup danej brány.
2. Ztrátový výkon: Predstavuje množstvo energie, ktoré zariadenie potrebuje. Meria sa v mW. Spravidla je to produkt napájacieho napätia a množstva priemerného prúdu, ktorý sa odoberá, keď je výstup vysoký alebo nízky.
3. Propagačné oneskorenie: Predstavuje čas prechodu, ktorý uplynie pri zmene vstupnej úrovne. Oneskorenie, ktoré nastane pri prechode výstupu, je oneskorenie šírenia.
4. Hlučnosť: Predstavuje množstvo šumového napätia povoleného na vstupe, ktoré neovplyvňuje štandardný výstup.
   

Klasifikácia logiky tranzistor-tranzistor

Je to logická rodina pozostávajúca úplne z tranzistorov. Používa tranzistor s viacerými žiaričmi. Komerčne začína radom 74, ako sú 7404, 74S86 atď. Postavil ho v roku 1961 James L Bui a komerčne sa použil v logickom dizajne v roku 1963. TTL sú klasifikované na základe výkonu.

Otvorený výstup kolektora

Hlavnou vlastnosťou je, že jeho výstup je 0, keď je nízky, a plávajúci, keď je vysoký. Spravidla sa môže použiť externý Vcc.

Otvorený výstup kolektora logiky tranzistor-tranzistor

Tranzistor Q1 sa správa ako zhluk diód umiestnených zozadu dozadu. Pri ktoromkoľvek zo vstupov na logicky nízkej hodnote je príslušné spojenie emitor-základňa predpäté dopredu a pokles napätia cez základňu Q1 je okolo 0,9 V, čo nestačí na vedenie tranzistorov Q2 a Q3. Výstup je teda buď plávajúci, alebo Vcc, teda vysoká úroveň.

Podobne, keď sú všetky vstupy vysoké, všetky križovatky báza-emitor Q1 sú spätne predpäté a tranzistory Q2 a Q3 dostávajú dostatok základného prúdu a sú v režime nasýtenia. Výstup je logicky nízky. (Aby tranzistor išiel do sýtosti, mal by byť kolektorový prúd väčší ako β-násobok základného prúdu).

Aplikácie

Aplikácie výstupu otvoreného kolektora zahŕňajú nasledujúce.

• V diaľkových svetlách alebo relé
• Pri vykonávaní drôtovej logiky
• Pri výstavbe spoločného autobusového systému

Výstup totemu

Totem Pole znamená pridanie aktívneho pretiahnutia obvodu na výstupe brány, čo vedie k zníženiu oneskorenia šírenia.

Výstup totálneho pólu TTL

Logická prevádzka je rovnaká ako pri výstupe otvoreného kolektora. Použitie tranzistorov Q4 a diódy slúži na rýchle nabíjanie a vybíjanie parazitnej kapacity na Q3. Rezistor sa používa na udržanie výstupného prúdu na bezpečnej hodnote.

Brána troch štátov

Poskytuje výstup 3 stavu, ako je uvedené nižšie

• Stav nízkej úrovne, keď je dolný tranzistor zapnutý a horný tranzistor vypnutý.
• Stav vysokej úrovne, keď je dolný tranzistor vypnutý a horný tranzistor zapnutý.
• Tretí stav, keď sú obidva tranzistory VYPNUTÉ. To umožňuje priame pripojenie drôtu mnohých výstupov.

Logika tranzistora-tranzistora s tromi stavovými bránami

Funkcie rodiny TTL

Medzi vlastnosti rodiny TTL patria nasledujúce.

• Logická nízka úroveň je na 0 alebo 0,2V.
• Logická vysoká úroveň je na 5V.
• Typický ventilátor z 10. Znamená to, že na svojom výstupe môže podporovať najviac 10 brán.
• Základné zariadenie TTL odoberá výkon takmer 10 mW, ktorý sa pri použití zariadení Schottky znižuje.
• Priemerné oneskorenie šírenia je asi 9ns.
• Hlučnosť je okolo 0,4V.

Séria TTL IC

Integrované obvody TTL väčšinou začínajú sériou 7. Má 6 podskupín uvedených ako:

1. Nízkoenergetické zariadenie s oneskorením šírenia 35 ns a stratou výkonu 1 mW.
2. Nízky výkon Schottky zariadenie s oneskorením 9ns
3. Pokročilé zariadenie Schottky s oneskorením 1,5ns.
4. Pokročilé Schottky s nízkym výkonom zariadenie s oneskorením 4 ns a stratovým výkonom 1mW.

V akejkoľvek nomenklatúre zariadení TTL prvé dva názvy označujú názov podrodiny, do ktorej zariadenie patrí. Prvé dve číslice označujú teplotný rozsah činnosti. Nasledujúce dve abecedy označujú podrodinu, do ktorej zariadenie patrí. Posledné dve číslice označujú logickú funkciu vykonávanú čipom. Príklady sú 74LS02- 2, ani vstupná brána NOR, 74LS10- Triple 3, vstupná brána NAND.

Typické obvody TTL

Logické brány sa používajú v každodennom živote v aplikáciách, ako je sušič bielizne, počítačová tlačiareň, zvonček pri dverách atď.

Ďalej sú uvedené 3 základné logické brány implementované pomocou logiky TTL: -

Brána NOR

Predpokladajme, že vstup A je na logickej hodnote vysokej, prepojenie emitor-báza zodpovedajúceho tranzistora je spätne predpäté a križovatka báza-kolektor je posunutá dopredu. Tranzistor Q3 získava základný prúd z napájacieho napätia Vcc a ide do sýtosti. V dôsledku nízkeho napätia kolektora z Q3 dôjde k prerušeniu tranzistora Q5 a na druhej strane, ak je iný vstup nízky, dôjde k odpojeniu Q4 a zodpovedajúcemu odpojeniu Q5 a výstup je pripojený priamo k zemi cez tranzistor Q3. . Podobne, keď sú obidva vstupy logicky nízke, výstup bude na logicky vysokej hodnote.

Brána NOR TTL

NIE brána

Keď je vstup nízky, príslušné spojenie báza-emitor je predpäté dopredu a križovatka báza-kolektor je spätne predpäté. Výsledkom je odpojenie tranzistora Q2 a tiež tranzistora Q4. Tranzistor Q3 ide do saturácie a dióda D2 začne dirigovať a výstup je pripojený k Vcc a ide na logicky vysokú hodnotu. Podobne, keď je vstup logicky vysoký, výstup je logicky nízky.

NIE Gate TTL

Porovnanie TTL s inými rodinami logiky

Zvyčajne zariadenia TTL používajú viac energie v porovnaní so zariadeniami CMOS, ale využitie energie sa nezvyšuje prostredníctvom rýchlosti hodín pre zariadenia CMOS. V porovnaní so súčasnými obvodmi ECL využíva tranzistor-tranzistorová logika nízky výkon, má však jednoduché pravidlá návrhu, je však podstatne pomalšia.

Výrobcovia môžu zjednotiť zariadenia TTL a ECL v rámci toho istého systému, aby dosiahli najlepší výkon, ale medzi týmito dvoma logickými rodinami sú potrebné zariadenia, ako je posun úrovne. TTL je v porovnaní so skorými CMOS zariadeniami málo citlivý na poškodenie elektrostatickým výbojom.

Kvôli štruktúre o / p zariadenia TTL je o / p impedancia medzi nízkym a vysokým stavom asymetrická, čo znemožňuje ich vedenie v prenosových vedeniach. Táto nevýhoda sa obvykle prekoná pomocou vyrovnávacej pamäte o / p pomocou špeciálnych zariadení riadiacich linku všade tam, kde je potrebné prenášať signály cez káble.

Štruktúra o-p totemového pólu TTL sa často rýchlo prekrýva, keď vedú vyššie aj nižšie tranzistory, čo vedie k podstatnému signálu prúdu odoberaného zo zdroja napájania.

Tieto signály sa môžu náhlymi metódami pripojiť medzi niekoľkými balíčkami IC, čo má za následok nižší výkon a zníženú mieru šumu. Všeobecne platí, že systémy TTL používajú oddeľovací kondenzátor pre každý z nich, inak pre dva obaly IC, takže prúdový signál z jedného čipu TTL neznižuje napájacie napätie na chvíľu.

V súčasnosti mnoho dizajnérov dodáva logické ekvivalenty CMOS prostredníctvom úrovní i / p & o / p kompatibilných s TTL prostredníctvom čísel dielov, ktoré súvisia so zodpovedajúcim komponentom TTL vrátane rovnakých konektorov. Napríklad napríklad séria 74HCT00 poskytne niekoľko alternatívnych riešení pre bipolárne súčiastky radu 7400, ale využíva technológiu CMOS.

Porovnanie TTL s inými logickými rodinami z hľadiska rôznych špecifikácií obsahuje nasledujúce.

Tranzistor-tranzistorový logický invertor

Tranzistorové zariadenia Transistor Logic (TTL) nahradili diódovú tranzistorovú logiku (DTL), pretože pracujú rýchlejšie a fungujú lacnejšie. NAND IC so vstupom Quad 2 využíva zariadenie 7400 TTL na návrh širokej škály obvodov, ktoré sa používajú ako invertor.

Schéma zapojenia vyššie používa brány NAND v rámci integrovaného obvodu. Takže vyberte spínač A na aktiváciu obvodu, potom si môžete všimnúť, že obe LED v obvode zhasnú. Ak je výstup nízky, potom by mal byť vysoký. Potom vyberte prepínač B, potom sa obidve LED rozsvietia.

Keď je prepínač A vybratý, obidva vstupy brány NAND budú vysoké, čo znamená, že výstup logických brán bude menší. Ak je vybraný prepínač B, potom vstupy nebudú dlho vysoké a LED diódy sa rozsvietia.

Výhody a nevýhody

Medzi výhody nevýhod TTL patria nasledujúce.

Hlavnou výhodou TTL je to, že môžeme ľahko komunikovať s inými obvodmi a schopnosť generovať zložité logické funkcie kvôli určitým úrovniam napätia a dobrým rozpätím šumu. TTL má dobré vlastnosti, ako je fan-in, čo znamená počet i / p signálov, ktoré možno prijať prostredníctvom vstupu.

TTL je hlavne imúnny voči poškodeniu spôsobenému stacionárnymi výbojmi elektriny, ktoré sa nepodobajú CMOS, a v porovnaní s CMOS sú ekonomické. Hlavnou nevýhodou TTL je vysoké prúdové využitie. Vysoké prúdové požiadavky TTL môžu viesť k ofenzívnemu fungovaniu, pretože stavy o / p budú vypnuté. Aj pri rôznych verziách TTL, ktoré majú nízku spotrebu prúdu, budú konkurenčné CMOS.

S príchodom CMOS boli aplikácie TTL nahradené prostredníctvom CMOS. TTL sa ale v aplikáciách stále používa, pretože sú dosť robustné a logické brány sú pomerne lacné.

Aplikácie TTL

Aplikácie TTL zahŕňajú nasledujúce.

• Používa sa v aplikácii regulátora na napájanie 0 až 5 V.
• Používa sa ako spínacie zariadenie v diaľkových svetlách a relé
• Používa sa v procesoroch mini počítače ako DEC VAX
• Používa sa v tlačiarňach a na zobrazovacích termináloch

Toto je teda všetko o prehľad logiky TTL alebo tranzistor-tranzistor . Je to skupina integrovaných obvodov, ktoré udržujú logické stavy a tiež dosahujú prepínanie pomocou BJT. TTL je jedným z dôvodov, prečo sa integrované obvody používajú tak často, pretože sú lacné, rýchlejšie a spoľahlivejšie v porovnaní s TTL a DTL. TTL používa tranzistory cez niekoľko žiaričov v bránach, ktoré majú niekoľko vstupov. Tu je otázka, aké sú podkategórie logiky tranzistor-tranzistor?