Co to jest logika tranzystorowa (TTL) i jej działanie

Bramki logiczne, takie jak NAND, NOR, są używane w codziennych aplikacjach do wykonywania operacji logicznych. Bramki są produkowane przy użyciu urządzeń półprzewodnikowych, takich jak BJT, diody lub FET. Różne bramki są zbudowane przy użyciu układów scalonych. Cyfrowe układy logiczne są produkowane w zależności od określonej technologii obwodów lub rodzin układów logicznych. Różne rodziny układów logicznych to RTL (logika rezystorowo-tranzystorowa), DTL (logika tranzystorowo-diodowa), TTL (logika tranzystorowo-tranzystorowa), ECL (logika sprzężona z emiterami) i CMOS (logika komplementarna półprzewodnikowa tlenku metalu). Spośród nich RTL i DTL są rzadko używane. W tym artykule omówiono przegląd aplikacji Logika tranzystorowo-tranzystorowa lub TTL .

Historia logiki tranzystorowo-tranzystorowej

Logika TTL, czyli logika tranzystorowo-tranzystorowa, została wynaleziona w roku 1961 przez „Jamesa L. Buie z TRW”. Nadaje się do tworzenia nowych układów scalonych. Rzeczywista nazwa tego TTL to TCTL, co oznacza logikę tranzystorową sprzężoną z tranzystorem. W 1963 roku pierwsze komercyjne urządzenia TTL zostały zaprojektowane przez firmę „Sylvania” znaną jako SUHL lub „Sylvania Universal High-Level Logic”.

Po tym, jak inżynierowie z Teksasu wprowadzili na rynek układy scalone serii 5400 w roku 1964 z zakresem temperatur wojskowych, bardzo popularna stała się logika tranzystorowo-tranzystorowa. Następnie seria 7400 została wypuszczona w węższym zakresie w 1966 roku.

Kompatybilne części rodziny 7400 wprowadzonej na rynek przez instrumenty Texas zostały zaprojektowane przez kilka firm, takich jak National Semiconductor, AMD, Motorola, Intel, Fairchild, Signetics, Intersil, Mullard, SGS-Thomson, Siemens, Rifa itp. Jedyna i jedyna produkcja firma taka jak IBM uruchomiła niekompatybilne obwody wykorzystujące TTL do własnego użytku.

Logika tranzystorowo-tranzystorowa została zastosowana w wielu pokoleniach logiki bipolarnej poprzez powolną poprawę szybkości i wykorzystania mocy przez około dwie dekady. Zwykle każdy układ TTL zawiera setki tranzystorów. Ogólnie funkcje w jednym pakiecie obejmują zakres od bramek logicznych do mikroprocesora.
Pierwszy komputer PC, taki jak Kenbak-1, wykorzystywał układ tranzystorowo-tranzystorowy w swoim CPU jako zamiennik mikroprocesora. W roku 1970 Datapoint 2200 wykorzystywał komponenty TTL i był podstawą dla 8008, a później zestawu instrukcji x86.

W GUI wprowadzonym przez Xerox alto w 1973 r., A także w stacjach roboczych Star w 1981 r. Zastosowano obwody TTL, które są wbudowane na poziomie jednostek ALU.

Co to jest logika tranzystorowo-tranzystorowa (TTL)?

Logika tranzystorowo-tranzystorowa (TTL) to rodzina układów logicznych składająca się z BJT (bipolarnych tranzystorów złączowych). Jak sama nazwa wskazuje, tranzystor spełnia dwie funkcje, takie jak logika i wzmocnienie. Najlepszymi przykładami TTL są bramki logiczne, a mianowicie bramka 7402 NOR i bramka 7400 NAND.

Logika TTL obejmuje kilka tranzystorów, które mają kilka emiterów, a także kilka wejść. Rodzaje logiki TTL lub logiki tranzystorowo-tranzystorowej obejmują głównie standardowe TTL, Fast TTL, Schottky TTL, High power TTL, Low power TTL i Advanced Schottky TTL.

Projektowanie bramek logicznych TTL można wykonać za pomocą rezystorów i BJT. Istnieje kilka wariantów TTL, które zostały opracowane do różnych celów, takich jak pakiety TTL utwardzane promieniowaniem do zastosowań kosmicznych i diody Schottky'ego o małej mocy, które mogą zapewnić doskonałe połączenie szybkości i mniejszego zużycia energii.

Rodzaje logiki tranzystorowo-tranzystorowej

TTL są dostępne w różnych typach, a ich klasyfikacja odbywa się na podstawie danych wyjściowych, jak poniżej.

• Standardowy TTL
• Szybki TTL
• Schottky TTL
• TTL dużej mocy
• TTL małej mocy
• Zaawansowane Schottky TTL.

TTL małej mocy działa z prędkością przełączania 33ns, aby zmniejszyć zużycie energii, na przykład 1 mW. Obecnie zostało to zastąpione przez logikę CMOS. Szybki TTL ma szybsze przełączanie w porównaniu z normalnym TTL, takim jak 6ns. Jednak ma duże rozpraszanie mocy, takie jak 22 mW.

Schottky TTL został wprowadzony na rynek w 1969 roku i służy do uniknięcia gromadzenia się ładunku w celu wydłużenia czasu przełączania poprzez zastosowanie zacisków diody Schottky'ego na zacisku bramki. Te zaciski bramkowe działają w czasie 3ns, ale obejmują duże straty mocy, takie jak 19 mW

TTL małej mocy wykorzystuje wysokie wartości rezystancji z TTL małej mocy. Diody Schottky'ego zapewnią dobre połączenie prędkości, a także zmniejszone wykorzystanie mocy, na przykład 2 mW. Jest to najbardziej ogólny typ TTL, używany jako logika kleju w mikrokomputerach, w zasadzie zastępuje poprzednie podrodziny, takie jak L, H i S.

Szybkie TTL służy do zwiększenia przejścia od niskiego do wysokiego. Te rodziny osiągnęły odpowiednio PDP 4 pJ i 10 pJ. LVTTL lub niskonapięciowe TTL dla zasilaczy 3,3 V oraz interfejsów pamięci.

Większość projektantów zapewnia zarówno komercyjne, jak i szerokie zakresy temperatur. Na przykład zakres temperatur dla części z serii 7400 firmy Texas Instruments mieści się w zakresie od 0 do 70 ° C, a zakres temperatur dla serii 5400 to od -55 do +125 ° C. Części o wysokiej niezawodności i specjalnej jakości są dostępne dla zastosowań lotniczych i wojskowych, podczas gdy urządzenia radiacyjne z serii SNJ54 są używane w zastosowaniach kosmicznych.

Charakterystyka TTL

Cechy TTL są następujące.

1. Rozwiń: Liczba obciążeń, które wyjście bramki może obsługiwać bez wpływu na jej zwykłą wydajność. Przez obciążenie rozumiemy ilość prądu wymaganą na wejście innej bramki podłączonej do wyjścia danej bramki.
2. Rozpraszanie mocy: Reprezentuje ilość mocy potrzebnej do urządzenia. Jest mierzona w mW. Zwykle jest to iloczyn napięcia zasilania i wielkości średniego pobieranego prądu, gdy moc wyjściowa jest wysoka lub niska.
3. Opóźnienie propagacji: Reprezentuje czas przejścia, który upływa, gdy zmienia się poziom wejściowy. Opóźnienie, które występuje, gdy wyjście dokonuje przejścia, jest opóźnieniem propagacji.
4. Margines szumu: Reprezentuje wielkość napięcia szumu dozwolonego na wejściu, która nie wpływa na standardowe wyjście.
   

Klasyfikacja logiki tranzystorowo-tranzystorowej

To logiczna rodzina składająca się całkowicie z tranzystorów. Wykorzystuje tranzystor z wieloma emiterami. Komercyjnie zaczyna się od serii 74, takich jak 7404, 74S86 itd. Został zbudowany w 1961 roku przez Jamesa L Bui i komercyjnie wykorzystany w projektowaniu logiki w 1963 roku. TTL są klasyfikowane na podstawie mocy wyjściowej.

Wyjście typu otwarty kolektor

Główną cechą jest to, że jego wyjście ma wartość 0, gdy jest niskie, i zmienne, gdy jest wysokie. Zwykle można zastosować zewnętrzny Vcc.

Wyjście typu otwarty kolektor logiki tranzystorowo-tranzystorowej

Tranzystor Q1 zachowuje się jak skupisko diod umieszczonych tyłem do siebie. Przy niskim stanie logicznym któregokolwiek wejścia, odpowiednie złącze emiter-baza jest spolaryzowane do przodu, a spadek napięcia na podstawie Q1 wynosi około 0,9 V, co nie jest wystarczające, aby tranzystory Q2 i Q3 mogły przewodzić. Zatem wyjście jest zmienne lub Vcc, tj. Poziom wysoki.

Podobnie, gdy wszystkie wejścia są wysokie, wszystkie złącza baza-emiter Q1 są spolaryzowane wstecznie, a tranzystory Q2 i Q3 otrzymują wystarczający prąd bazowy i są w trybie nasycenia. Wyjście jest logicznie niskie. (Aby tranzystor doszedł do nasycenia, prąd kolektora powinien być większy niż β prądu bazowego).

Aplikacje

Zastosowania wyjścia otwartego kolektora obejmują następujące.

• W światłach drogowych lub przekaźnikach
• W wykonywaniu logiki przewodowej
• W budowie wspólnego systemu autobusowego

Wyjście totemu

Totem Pole oznacza dodanie aktywnego podciągnięcia obwodu na wyjściu Bramki co powoduje zmniejszenie opóźnienia propagacji.

Wyjście Totem Pole TTL

Operacja logiczna jest taka sama jak dla wyjścia typu otwarty kolektor. Zastosowanie tranzystorów Q4 i diody ma zapewnić szybkie ładowanie i rozładowywanie pasożytniczej pojemności na Q3. Rezystor służy do utrzymania prądu wyjściowego na bezpiecznej wartości.

Brama Trzech Państw

Zapewnia 3 wyjścia stanu, takie jak poniżej

• Stan niskiego poziomu, gdy dolny tranzystor jest włączony, a górny tranzystor wyłączony.
• Stan wysokiego poziomu, gdy dolny tranzystor jest wyłączony, a górny włączony.
• Trzeci stan, gdy oba tranzystory są wyłączone. To umożliwia bezpośrednie połączenie przewodowe wielu wyjść.

Logika tranzystorowo-tranzystorowa z trzema stanami bramek

Funkcje rodziny TTL

Cechy rodziny TTL są następujące.

• Niski poziom logiki wynosi 0 lub 0,2 V.
• Wysoki poziom logiki to 5V.
• Typowy wentylator z 10. Oznacza to, że może obsługiwać maksymalnie 10 bramek na wyjściu.
• Podstawowe urządzenie TTL pobiera moc prawie 10 mW, którą zmniejsza się przy zastosowaniu urządzeń Schottky'ego.
• Średnie opóźnienie propagacji wynosi około 9ns.
• Margines szumów wynosi około 0,4 V.

Seria TTL IC

Układy TTL najczęściej zaczynają się od serii 7. Ma 6 podrodzin podanych jako:

1. Urządzenie małej mocy z opóźnieniem propagacji 35 ns i rozpraszaniem mocy 1 mW.
2. Schottky małej mocy urządzenie z opóźnieniem 9ns
3. Zaawansowane urządzenie Schottky z opóźnieniem 1,5ns.
4. Zaawansowany Schottky małej mocy urządzenie z opóźnieniem 4 ns i stratą mocy 1mW.

W każdej nomenklaturze urządzeń TTL pierwsze dwie nazwy wskazują nazwę podrodziny, do której należy urządzenie. Pierwsze dwie cyfry wskazują zakres temperatur pracy. Kolejne dwa alfabety wskazują podrodzinę, do której należy urządzenie. Ostatnie dwie cyfry wskazują funkcję logiczną wykonywaną przez chip. Przykładami są 74LS02-2 żadna z bramek NOR wejściowych, 74LS10- Bramka NAND z potrójnym wejściem i 3 wejściami.

Typowe obwody TTL

Bramy logiczne są używane w życiu codziennym w zastosowaniach takich jak suszarka do ubrań, drukarka komputerowa, dzwonek do drzwi itp.

Poniżej podano 3 podstawowe bramki logiczne zaimplementowane przy użyciu logiki TTL: -

Brama NOR

Załóżmy, że wejście A jest logicznie wysokie, złącze emiter-baza odpowiedniego tranzystora jest spolaryzowane odwrotnie, a złącze baza-kolektor jest spolaryzowane do przodu. Tranzystor Q3 pobiera prąd bazowy z napięcia zasilania Vcc i przechodzi do nasycenia. W wyniku niskiego napięcia kolektora z Q3 tranzystor Q5 przechodzi do odcięcia, az drugiej strony, jeśli na innym wejściu jest niski, Q4 jest odcinane i odpowiednio Q5 jest odcinane i wyjście jest podłączane bezpośrednio do masy przez tranzystor Q3 . Podobnie, gdy oba wejścia są logicznie niskie, wyjście będzie logicznie wysokie.

NOR Gate TTL

NIE Brama

Gdy sygnał wejściowy jest niski, odpowiednie złącze baza-emiter jest spolaryzowane do przodu, a złącze baza-kolektor jest spolaryzowane odwrotnie. W rezultacie następuje odcięcie tranzystora Q2 i odcięcie tranzystora Q4. Tranzystor Q3 przechodzi do nasycenia, a dioda D2 zaczyna przewodzić, a wyjście jest podłączane do Vcc i przechodzi do stanu logicznego wysokiego. Podobnie, gdy wejście ma stan logiczny wysoki, wyjście ma stan niski.

NIE TTL bramki

Porównanie TTL z innymi rodzinami logiki

Ogólnie rzecz biorąc, urządzenia TTL zużywają więcej energii w porównaniu z urządzeniami CMOS, ale wykorzystanie energii nie zwiększa się przez częstotliwość taktowania urządzeń CMOS. W porównaniu do obecnych obwodów ECL, logika tranzystorowo-tranzystorowa wykorzystuje małą moc, ale ma proste zasady projektowania, ale jest znacznie wolniejsza.

Producenci mogą łączyć urządzenia TTL i ECL w ramach tego samego systemu, aby uzyskać najlepszą wydajność, ale w obu rodzinach układów logicznych konieczne są urządzenia takie jak przesunięcie poziomu. TTL jest mało wrażliwy na uszkodzenia spowodowane wyładowaniami elektrostatycznymi w porównaniu do wczesnych urządzeń CMOS.

Ze względu na strukturę o / p urządzenia TTL, impedancja o / p jest asymetryczna między stanami niskim i wysokim, co czyni je nieodpowiednimi do napędzania linii przesyłowych. Zwykle ta wada jest przezwyciężana poprzez buforowanie o / p za pomocą specjalnych sterowników liniowych wszędzie tam, gdzie sygnały wymagają przesyłania przez kable.

Struktura totem-biegun o / p TTL często nakłada się szybko, gdy oba tranzystory wyższego i niższego przewodzą, co skutkuje znacznym sygnałem prądu pobieranego z zasilacza.

Sygnały te mogą łączyć się w nagły sposób między kilkoma pakietami układów scalonych, co skutkuje niższą wydajnością i zmniejszonym marginesem szumów. Ogólnie rzecz biorąc, systemy TTL używają kondensatora odsprzęgającego dla każdego, w przeciwnym razie dwóch pakietów IC, więc sygnał prądowy z jednego układu TTL nie zmniejsza chwilowo napięcia zasilania na inny.

Obecnie wielu projektantów dostarcza odpowiedniki logiczne CMOS poprzez poziomy i / p & o / p kompatybilne z TTL poprzez numery części, które są powiązane z odpowiednim komponentem TTL, w tym tymi samymi wyprowadzeniami. Na przykład seria 74HCT00 zapewni kilka zastępczych zamienników dla części z serii bipolarnych 7400, jednak wykorzystuje technologię CMOS.

Porównanie TTL z innymi rodzinami układów logicznych pod względem różnych specyfikacji obejmuje następujące elementy.

Falownik logiczny tranzystor-tranzystor

Tranzystorowe układy tranzystorowe (TTL) zastąpiły logikę tranzystora diodowego (DTL), ponieważ działają szybciej i są tańsze w eksploatacji. Układ scalony NAND z 2 wejściami Quad wykorzystuje urządzenie 7400 TTL do projektowania szerokiej gamy obwodów, które są używane jako falowniki.

Powyższy schemat obwodu wykorzystuje bramki NAND w układzie scalonym. Więc wybierz przełącznik A, aby aktywować obwód, wtedy możesz zauważyć, że obie diody w obwodzie zgasną. Gdy wyjście jest niskie, wejście powinno być wysokie. Następnie wybierz przełącznik B, a obie diody zaświecą się.

Po wybraniu przełącznika A oba wejścia bramki NAND będą w stanie wysokim, co oznacza, że ​​wyjście bramek logicznych będzie mniejsze. Po wybraniu przełącznika B wejścia nie będą przez długi czas wysokie i diody LED zaświecą się.

Zalety i wady

Zalety wad TTL obejmują następujące.

Główną zaletą TTL jest to, że możemy łatwo łączyć się z innymi obwodami i możliwość generowania trudnych funkcji logicznych ze względu na określone poziomy napięcia, a także dobre marginesy szumów TTL ma dobre cechy, takie jak fan-in, co oznacza liczbę sygnałów i / p, które można zaakceptować za pomocą danych wejściowych.

TTL jest głównie odporny na uszkodzenia spowodowane stacjonarnymi wyładowaniami elektrycznymi, w przeciwieństwie do CMOS, aw porównaniu z CMOS są one ekonomiczne. Główną wadą TTL jest wysokie wykorzystanie prądu. Wysokie wymagania prądowe TTL mogą prowadzić do ofensywnego działania, ponieważ stany o / p zostaną wyłączone. Nawet z różnymi wersjami TTL, które mają niski pobór prądu, będą konkurencyjne w stosunku do CMOS.

Wraz z pojawieniem się CMOS, aplikacje TTL zostały zastąpione przez CMOS. Jednak TTL jest nadal wykorzystywane w aplikacjach, ponieważ są one dość solidne, a bramki logiczne są dość tanie.

Aplikacje TTL

Zastosowania TTL obejmują następujące.

• Używany w aplikacji kontrolera do zapewnienia napięcia od 0 do 5 V.
• Stosowany jako urządzenie przełączające w lampach drogowych i przekaźnikach
• Używany w procesorach mini komputery jak DEC VAX
• Stosowany w drukarkach i terminalach wideo

A więc o to chodzi przegląd logiki TTL lub tranzystor-tranzystor . Jest to grupa układów scalonych, które zachowują stany logiczne, a także umożliwiają przełączanie za pomocą BJT. TTL jest jednym z powodów, dla których układy scalone są tak szeroko stosowane, ponieważ są niedrogie, szybsze i wysoce niezawodne w porównaniu z TTL i DTL. TTL wykorzystuje tranzystory przez kilka emiterów w bramkach, które mają kilka wejść. Tutaj jest pytanie do Ciebie, jakie są podkategorie logiki tranzystor-tranzystor?