Cos'è Transistor Transistor Logic (TTL) e il suo funzionamento

Le porte logiche come NAND, NOR vengono utilizzate nelle applicazioni quotidiane per eseguire operazioni logiche. I gate sono prodotti utilizzando dispositivi semiconduttori come BJT, diodi o FET. Diversi Gate sono costruiti utilizzando circuiti integrati. I circuiti logici digitali vengono prodotti in base alla specifica tecnologia dei circuiti o alle famiglie logiche. Le diverse famiglie logiche sono RTL (Resistor Transistor Logic), DTL (Diode Transistor Logic), TTL (Transistor-Transistor Logic), ECL (Emitter Coupled Logic) e CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor Logic). Di questi, RTL e DTL sono usati raramente. Questo articolo illustra una panoramica di un file Transistor-Transistor Logic o TTL .

Storia della logica transistor-transistor

La logica TTL o Transistor-Transistor Logic è stata inventata nel 1961 da 'James L. Buie di TRW'. È adatto per lo sviluppo di nuovi circuiti integrati. Il nome effettivo di questo TTL è TCTL che significa logica transistor accoppiata a transistor. Nel 1963, i primi dispositivi TTL commerciali di produzione furono progettati da 'Sylvania' noto come SUHL o 'Sylvania Universal High-Level Logic family'.

Dopo che gli ingegneri della Texas Instruments hanno lanciato i circuiti integrati della serie 5400 nel 1964 con la gamma di temperature militari, la logica Transistor-Transistor è diventata molto popolare. Successivamente, la serie 7400 è stata lanciata attraverso una gamma più ristretta nell'anno 1966.

Le parti compatibili delle famiglie 7400 lanciate dagli strumenti Texas sono state progettate da diverse aziende come National Semiconductor, AMD, Motorola, Intel, Fairchild, Signetics, Intersil, Mullard, SGS-Thomson, Siemens, Rifa, ecc. L'unico e solo produttore società come IBM è stata lanciata circuiti non compatibili che utilizzano TTL per il proprio uso.

La logica transistor-transistor è stata applicata a molte generazioni di logica bipolare migliorando lentamente la velocità e l'utilizzo dell'energia per circa due decenni. Di solito, ogni chip TTL include centinaia di transistor. Generalmente, le funzioni in un unico pacchetto vanno dalle porte logiche a un microprocessore.
Il primo PC come Kenbak-1 è stato utilizzato Transistor-Transistor Logic per la sua CPU come alternativa a un microprocessore. Nell'anno 1970, il Datapoint 2200 è stato utilizzato con componenti TTL ed è stata la base per l'8008 e successivamente il set di istruzioni x86.

La GUI introdotta da Xerox alto nell'anno 1973 e le workstation Star nell'anno 1981 sono stati utilizzati circuiti TTL che sono incorporati a livello di ALU.

Cos'è Transistor-Transistor Logic (TTL)?

Il Transistor-Transistor Logic (TTL) è una famiglia logica composta da BJT (transistor a giunzione bipolare). Come suggerisce il nome, il transistor svolge due funzioni come la logica e l'amplificazione. I migliori esempi di TTL sono le porte logiche, vale a dire il 7402 NOR Gate e il 7400 NAND gate.

La logica TTL include diversi transistor che hanno diversi emettitori e diversi ingressi. I tipi di logica TTL o transistor-transistor includono principalmente TTL standard, TTL veloce, TTL Schottky, TTL ad alta potenza, TTL a bassa potenza e TTL Schottky avanzato.

La progettazione di porte logiche TTL può essere eseguita con resistori e BJT. Esistono diverse varianti di TTL che sono sviluppate per scopi diversi come i pacchetti TTL resistenti alle radiazioni per applicazioni spaziali e diodi Schottky a bassa potenza che possono fornire un'eccellente combinazione di velocità e minore consumo energetico.

Tipi di logica transistor-transistor

I TTL sono disponibili in diversi tipi e la loro classificazione viene eseguita in base all'output come segue.

• TTL standard
• TTL veloce
• Schottky TTL
• TTL ad alta potenza
• TTL a bassa potenza
• Schottky TTL avanzato.

Il TTL a bassa potenza funziona con una velocità di commutazione di 33 ns per ridurre il consumo energetico di 1 mW. Al momento, questo è stato sostituito tramite la logica CMOS. Il TTL ad alta velocità ha una commutazione più rapida rispetto al normale TTL come 6ns. Tuttavia, ha un'elevata dissipazione di potenza come 22 mW.

Schottky TTL è stato lanciato nell'anno 1969 e viene utilizzato per evitare l'accumulo di carica per migliorare il tempo di commutazione utilizzando morsetti a diodi Schottky al terminale di gate. Questi terminali di gate funzionano in 3ns, tuttavia includono un'elevata dissipazione di potenza come 19 mW

Il TTL a bassa potenza utilizza valori di resistenza elevati da TTL a bassa potenza. I diodi Schottky forniranno una buona combinazione di velocità e un ridotto utilizzo di energia come 2 mW. Questo è il tipo più generale di TTL, utilizzato come logica di colla all'interno dei microcomputer, sostanzialmente sostituisce le precedenti sottofamiglie come L, H e S.

Il TTL veloce viene utilizzato per aumentare la transizione da basso ad alto. Queste famiglie hanno raggiunto PDP di 4pJ e 10 pJ, corrispondentemente. LVTTL o TTL a bassa tensione per alimentatori da 3,3 V e interfaccia di memoria.

La maggior parte dei progettisti fornisce intervalli di temperatura sia commerciali che estesi. Ad esempio, l'intervallo di temperatura delle parti della serie 7400 di Texas Instruments è compreso tra 0 e 70 ° C e l'intervallo di temperatura della serie 5400 è compreso tra -55 e +125 ° C. Le parti con elevata affidabilità e qualità speciale sono accessibili per applicazioni aerospaziali e militari, mentre i dispositivi di radiazione della serie SNJ54 sono utilizzati nelle applicazioni spaziali.

Caratteristiche del TTL

Le caratteristiche del TTL includono quanto segue.

1. Fan fuori: Numero di carichi che l'uscita di un GATE può guidare senza influire sulle sue normali prestazioni. Per carico si intende la quantità di corrente richiesta dall'ingresso di un altro Gate collegato all'uscita del dato Gate.
2. Dissipazione di potenza: Rappresenta la quantità di energia necessaria al dispositivo. Si misura in mW. Di solito è il prodotto della tensione di alimentazione e la quantità di corrente media assorbita quando l'uscita è alta o bassa.
3. Ritardo di propagazione: Rappresenta il tempo di transizione che trascorre quando il livello di ingresso cambia. Il ritardo che si verifica prima che l'uscita effettui la sua transizione è il ritardo di propagazione.
4. Margine di rumore: Rappresenta la quantità di tensione di rumore consentita all'ingresso, che non influisce sullo standard output.
   

Classificazione della logica transistor-transistor

È una famiglia logica composta completamente da transistor. Utilizza un transistor con più emettitori. Commercialmente inizia con la serie 74 come 7404, 74S86, ecc. È stata costruita nel 1961 da James L Bui e utilizzata commercialmente nella progettazione logica nel 1963. I TTL sono classificati in base all'output.

Uscita Open Collector

La caratteristica principale è che il suo output è 0 quando è basso e fluttuante quando è alto. Di solito, può essere applicato un Vcc esterno.

Uscita a collettore aperto della logica transistor-transistor

Il transistor Q1 si comporta come un gruppo di diodi posti schiena contro schiena. Con uno qualsiasi degli ingressi a livello logico basso, la corrispondente giunzione emettitore-base è polarizzata in avanti e la caduta di tensione attraverso la base di Q1 è di circa 0,9 V, non sufficiente per condurre i transistor Q2 e Q3. Pertanto l'output è flottante o Vcc, ovvero livello alto.

Allo stesso modo, quando tutti gli ingressi sono alti, tutte le giunzioni base-emettitore di Q1 sono polarizzate inversamente e i transistor Q2 e Q3 ricevono una corrente di base sufficiente e sono in modalità di saturazione. L'uscita è a livello logico basso. (Affinché un transistor vada alla saturazione, la corrente del collettore dovrebbe essere maggiore di β volte la corrente di base).

Applicazioni

Le applicazioni dell'output a collettore aperto includono quanto segue.

• In fari o relè
• Nell'esecuzione della logica cablata
• Nella costruzione di un sistema di autobus comune

Uscita Totem Pole

Per Totem Pole si intende l'aggiunta di un pull up attivo del circuito all'uscita del Gate che si traduce in una riduzione del ritardo di propagazione.

Uscita Totem Pole TTL

Il funzionamento logico è lo stesso dell'uscita open collector. L'uso dei transistor Q4 e del diodo è quello di fornire una rapida carica e scarica della capacità parassita attraverso Q3. Il resistore viene utilizzato per mantenere la corrente di uscita a un valore sicuro.

Three State Gate

Fornisce un'uscita a 3 stati come la seguente

• Stato di basso livello quando un transistor inferiore è ON e un transistor superiore è OFF.
• Stato di alto livello quando il transistor inferiore è OFF e il transistor superiore è ON.
• Terzo stato quando entrambi i transistor sono OFF. It consente una connessione cablata diretta di molte uscite.

Logica transistor-transistor con porta a tre stati

Caratteristiche della famiglia TTL

Le caratteristiche della famiglia TTL includono quanto segue.

• Il livello logico basso è a 0 o 0,2 V.
• Il livello logico alto è a 5V.
• Ventilatore tipico su 10. Significa che può supportare al massimo 10 gate alla sua uscita.
• Un dispositivo TTL di base assorbe una potenza di quasi 10 mW, che si riduce con l'uso di dispositivi Schottky.
• Il ritardo medio di propagazione è di circa 9 ns.
• Il margine di rumore è di circa 0,4 V.

Serie di TTL IC

I circuiti integrati TTL iniziano principalmente con la serie 7. Ha 6 sottofamiglie date come:

1. Dispositivo a bassa potenza con ritardo di propagazione di 35 ns e dissipazione di potenza di 1mW.
2. Schottky a bassa potenza dispositivo con un ritardo di 9ns
3. Dispositivo Schottky avanzato con un ritardo di 1,5 ns.
4. Schottky avanzato a bassa potenza dispositivo con ritardo di 4 ns e potenza dissipata di 1mW.

In qualsiasi nomenclatura di dispositivo TTL, i primi due nomi indicano il nome della sottofamiglia a cui appartiene il dispositivo. Le prime due cifre indicano l'intervallo di temperatura di funzionamento. I due alfabeti successivi indicano la sottofamiglia a cui appartiene il dispositivo. Le ultime due cifre indicano la funzione logica svolta dal chip. Gli esempi sono 74LS02-2 né ingresso NOR gate, 74LS10- Triple 3 input NAND gate.

Tipici circuiti TTL

Le porte logiche vengono utilizzate nella vita quotidiana in applicazioni come asciugatrice, stampante per computer, campanello, ecc.

Di seguito sono riportate le 3 porte logiche di base implementate utilizzando la logica TTL: -

NOR Gate

Supponiamo che l'ingresso A sia a livello logico alto, la giunzione base-emettitore del transistor corrispondente sia polarizzata inversamente e la giunzione collettore-base sia polarizzata in avanti. Il transistor Q3 riceve la corrente di base dalla tensione di alimentazione Vcc e va a saturazione. A causa della bassa tensione di collettore da Q3, il transistor Q5 va a tagliare e d'altra parte, se un altro ingresso è basso, Q4 viene interrotto e corrispondentemente Q5 viene interrotto e l'uscita è collegata direttamente a terra tramite il transistor Q3 . Allo stesso modo, quando entrambi gli ingressi sono logici bassi, l'uscita sarà logica alta.

NOR Gate TTL

NON Gate

Quando l'ingresso è basso, la giunzione base-emettitore corrispondente è polarizzata in avanti e la giunzione base-collettore è polarizzata inversamente. Di conseguenza il transistor Q2 viene interrotto e anche il transistor Q4 viene interrotto. Il transistor Q3 va in saturazione e il diodo D2 inizia a condurre e l'uscita è collegata a Vcc e va ad alto logico. Allo stesso modo, quando l'ingresso è a livello logico alto, l'uscita è a livello logico basso.

NON Gate TTL

Confronto TTL con altre famiglie logiche

In genere, i dispositivi TTL utilizzano più energia rispetto ai dispositivi CMOS, ma l'utilizzo di energia non aumenta la velocità di clock per i dispositivi CMOS. Rispetto agli attuali circuiti ECL, la logica transistor-transistor utilizza una bassa potenza ma ha regole di progettazione semplici ma è significativamente più lenta.

I produttori possono unire dispositivi TTL ed ECL all'interno dello stesso sistema per ottenere le migliori prestazioni, ma dispositivi come il cambio di livello sono necessari tra le due famiglie logiche. TTL è poco sensibile ai danni da scariche elettrostatiche rispetto ai primi dispositivi CMOS.

A causa della struttura o / p del dispositivo TTL, l'impedenza o / p è asimmetrica tra gli stati basso e alto per renderli inappropriati per guidare le linee di trasmissione. Di solito, questo inconveniente viene superato attraverso il buffering dell'o / p utilizzando speciali dispositivi line driver ovunque i segnali richiedano la trasmissione attraverso i cavi.

La struttura totem-pole o / p di TTL ha spesso una rapida sovrapposizione una volta che entrambi i transistor superiori e inferiori sono in conduzione, il che si traduce in un segnale sostanziale di corrente prelevata dall'alimentatore.

Questi segnali possono connettersi in metodi improvvisi tra diversi pacchetti IC, il che si traduce in prestazioni inferiori e margine di rumore ridotto. In genere, i sistemi TTL utilizzano un condensatore di disaccoppiamento per ciascuno, altrimenti due pacchetti IC, quindi un segnale di corrente da un chip TTL non riduce momentaneamente la tensione di alimentazione a un altro.

Al momento, molti progettisti forniscono equivalenti logici CMOS tramite livelli i / p & o / p compatibili TTL tramite numeri di parte correlati al componente TTL corrispondente, inclusi gli stessi pinout. Così, ad esempio, la serie 74HCT00 fornirà diverse alternative drop-in per le parti della serie bipolare 7400, tuttavia utilizza la tecnologia CMOS.

Il confronto del TTL con altre famiglie logiche in termini di specifiche differenti include quanto segue.

Inverter logico transistor-transistor

I dispositivi Transistor Logic (TTL) a transistor hanno sostituito la logica a transistor a diodi (DTL) poiché funzionano più velocemente e sono più economici. Il circuito integrato NAND con ingresso Quad 2 utilizza un dispositivo TTL 7400 per progettare un'ampia gamma di circuiti che viene utilizzato come inverter.

Lo schema del circuito sopra utilizza porte NAND all'interno dell'IC. Quindi seleziona l'interruttore A per attivare il circuito, quindi puoi notare che entrambi i LED nel circuito si spengono. Quando l'uscita è bassa, l'input dovrebbe essere alto. Dopodiché, seleziona l'interruttore B, quindi entrambi i LED si accenderanno.

Quando l'interruttore A ha selezionato, entrambi gli ingressi della porta NAND saranno alti, il che significa che l'uscita delle porte logiche sarà inferiore. Quando viene selezionato l'interruttore B, gli ingressi non saranno alti per molto tempo ei LED si accenderanno.

Vantaggi e svantaggi

I vantaggi degli svantaggi di TTL includono quanto segue.

Il vantaggio principale del TTL è che possiamo facilmente interfacciarci con altri circuiti e la capacità di generare funzioni logiche difficili a causa di determinati livelli di tensione e buoni margini di rumore TTL ha buone caratteristiche come il fan-in che significa il numero di segnali i / p che può essere accettato tramite un input.

TTL è principalmente immune ai danni causati da scariche elettriche fisse non come CMOS e rispetto a CMOS sono economici. Lo svantaggio principale del TTL è l'elevato utilizzo di corrente. Le elevate richieste di corrente del TTL possono portare a un funzionamento offensivo perché gli stati o / p saranno disattivati. Anche con diverse versioni TTL che hanno un basso consumo di corrente sarà competitivo con CMOS.

Con l'arrivo di CMOS, le applicazioni TTL sono state sostituite tramite CMOS. Ma il TTL è ancora utilizzato nelle applicazioni perché sono abbastanza robusti e le porte logiche sono abbastanza economiche.

Applicazioni TTL

Le applicazioni di TTL includono quanto segue.

• Utilizzato nell'applicazione del controller per fornire da 0 a 5 V.
• Utilizzato come dispositivo di commutazione nelle luci di guida e nei relè
• Utilizzato nei processori di mini computer come DEC VAX
• Utilizzato in stampanti e terminali di visualizzazione video

Quindi, questo è tutto una panoramica della logica TTL o Transistor-Transistor . È un gruppo di circuiti integrati che mantengono gli stati logici e ottengono la commutazione utilizzando i BJT. TTL è uno dei motivi per cui i circuiti integrati sono così ampiamente utilizzati perché sono economici, più veloci e di alta affidabilità rispetto a TTL e DTL. Un TTL utilizza transistor attraverso diversi emettitori in porte che hanno diversi ingressi. Ecco, una domanda per te, quali sono le sottocategorie della logica transistor-transistor?