Mi a tranzisztoros tranzisztor logika (TTL) és működése

A logikai kapukat, mint például a NAND, NOR, a napi alkalmazásokban használják logikai műveletek végrehajtására. A kapukat olyan félvezető eszközökkel gyártják, mint a BJT, a diódák vagy a FET-ek. A különböző kapuk integrált áramkörök felhasználásával készülnek. A digitális logikai áramkörök gyártása az adott áramköri technológiától vagy logikai családoktól függ. A különböző logikai családok: RTL (ellenállás-tranzisztor-logika), DTL (dióda-tranzisztor-logika), TTL (tranzisztor-tranzisztor-logika), ECL (emitter-összekapcsolt logika) és CMOS (kiegészítő fém-oxid félvezető-logika). Ezek közül az RTL-t és a DTL-t ritkán használják. Ez a cikk áttekintést nyújt a Tranzisztor-tranzisztor logika vagy TTL .

Tranzisztor-tranzisztor logikai előzmények

A TTL vagy Tranzisztor-Tranzisztor Logika logikát 1961-ben találta ki „James L. Buie, a TRW”. Alkalmas új integrált áramkörök fejlesztésére. Ennek a TTL-nek a tényleges neve TCTL, ami tranzisztorral kapcsolt tranzisztorlogikát jelent. 1963-ban az első kereskedelmi TTL-eszközök gyártását a „Sylvania” tervezte, amelyet SUHL-nek vagy „Sylvania Universal High-Level Logic family” néven ismertek.

Miután a texasi műszerészmérnökök 1964-ben a katonai hőmérséklet tartományában elindították az 5400-as sorozatú IC-ket, a Transistor-Transistor Logic nagyon népszerűvé vált. Ezt követően a 7400-as sorozat szűkebb tartományban került forgalomba 1966-ban.

A texasi eszközök által indított 7400 család kompatibilis alkatrészeit több olyan cég tervezte, mint a National Semiconductor, az AMD, a Motorola, az Intel, a Fairchild, a Signetics, az Intersil, a Mullard, az SGS-Thomson, a Siemens, a Rifa stb. Az IBM-hez hasonló vállalat nem kompatibilis áramköröket indított el TTL használatával saját használatra.

A tranzisztor-tranzisztor logikát sok bipoláris logikai generációra alkalmazták, lassan javítva a sebességet és az energiafelhasználást körülbelül két évtized alatt. Általában minden TTL chip több száz tranzisztort tartalmaz. A funkciók egyetlen csomagban általában a logikai kaputól a mikroprocesszorig terjednek.
Az első olyan számítógépet, mint a Kenbak-1, a Transistor-Transistor Logic-ot használták a processzorához mikroprocesszor alternatívájaként. 1970-ben a Datapoint 2200-at használták TTL komponensekkel, és ez volt az alapja a 8008-nak, majd az x86 utasításkészletnek.

A Xerox alto által 1973-ban bevezetett GUI, valamint az 1981-es Star munkaállomások TTL áramköröket használtak, amelyeket az ALU-k szintjén építettek be.

Mi az a tranzisztor-tranzisztor logika (TTL)?

A Transistor-Transistor Logic (TTL) egy logikai család, amely BJT-kből (bipoláris kereszteződésű tranzisztorok) áll. Ahogy a neve is mutatja, a tranzisztor két funkciót lát el, például a logikát, valamint az erősítést. A TTL legjobb példái a logikai kapuk, nevezetesen a 7402 NOR kapu és a 7400 NAND kapu.

A TTL logika több tranzisztort tartalmaz, amelyek több emitterrel és több bemenettel rendelkeznek. A TTL vagy a tranzisztor-tranzisztor logika főként a Standard TTL, a Fast TTL, a Schottky TTL, a nagy teljesítményű TTL, az alacsony fogyasztású TTL és az Advanced Schottky TTL típusait tartalmazza.

A TTL logikai kapuk kialakítása ellenállásokkal és BJT-kkel történhet. A TTL számos változatát különféle célokra fejlesztették ki, például a sugárzással edzett TTL csomagok az űrhajózási alkalmazásokhoz és az alacsony fogyasztású Schottky diódák, amelyek kiváló kombinációt nyújthatnak a sebesség és a kisebb energiafogyasztás érdekében.

A tranzisztor-tranzisztor logika típusai

A TTL-ek különböző típusokban állnak rendelkezésre, és osztályozásukat a kimenet alapján végzik, például az alábbiak szerint.

• Normál TTL
• Gyors TTL
• Schottky TTL
• Nagy teljesítményű TTL
• Alacsony fogyasztású TTL
• Haladó Schottky TTL.

Az alacsony fogyasztású TTL 33ns kapcsolási sebességgel működik, hogy csökkentse az energiafogyasztást, mint 1 mW. Jelenleg ezt a CMOS logika váltotta fel. A nagy sebességű TTL gyorsabb kapcsolással rendelkezik, mint a normál TTL, például a 6ns. Ugyanakkor nagy az energiaeloszlása, például 22 mW.

A Schottky TTL-t 1969-ben dobták piacra, és a töltés tárolásának elkerülésére használják, hogy a kapu terminálján lévő Schottky dióda bilincsek segítségével növeljék a kapcsolási időt. Ezek a kapukapcsok 3ns-ban működnek, azonban nagy teljesítmény-elvezetést tartalmaznak, például 19 mW

Az alacsony fogyasztású TTL alacsony ellenállású TTL-értékeket alkalmaz. A Schottky diódák jó keveréket nyújtanak a sebességhez, valamint csökkentik az energiafelhasználást, például 2 mW. Ez a TTL legáltalánosabb típusa, amelyet a mikroszámítógépek ragasztó logikájaként használnak, és alapvetően a korábbi alcsaládokat helyettesíti, mint az L, H és S.

A gyors TTL-t használják az alacsonyról a magasra történő átmenet növelésére. Ezek a családok 4PJ és 10 pJ PDP-ket értek el, ennek megfelelően. LVTTL vagy kisfeszültségű TTL 3,3 V-os tápegységekhez, valamint memóriainterfészekhez.

A legtöbb tervező kereskedelmi, valamint kiterjedt hőmérsékleti tartományokat kínál. Például a Texas Instruments 7400 sorozatú alkatrészeinek hőmérséklettartománya 0 - 70 ° C, valamint az 5400 sorozat hőmérsékleti tartománya -55 és +125 ° C között van. A nagy megbízhatóságú és különleges minőségű alkatrészek elérhetők a repülőgépiparban és a katonai alkalmazásokban, míg az SNJ54 sorozatú sugárzási eszközöket az űrhajózási alkalmazásokban használják.

A TTL jellemzői

A TTL jellemzői a következők.

1. Fan Out: A GATE kimenete által meghajtott terhelések száma anélkül, hogy befolyásolná a szokásos teljesítményét. Terhelés alatt azt az árammennyiséget értjük, amelyet az adott kapu kimenetéhez csatlakoztatott másik kapu bemenete igényel.
2. Teljesítménydisszipáció: A készülék által igényelt energiamennyiséget jelenti. Mérése mW-ban történik. Ez általában a tápfeszültség és az átlagos áram mennyiségének szorzata, ha a kimenet magas vagy alacsony.
3. Szaporítási késleltetés: Ez azt az átmeneti időt jelenti, amely eltelt, amikor a bemeneti szint megváltozik. A kimenet átmenetének késleltetése a terjedési késleltetés.
4. Zajkülönbözet: A bemeneten megengedett zajfeszültség mértékét jelenti, amely nem befolyásolja a szokásos kimenetet.
   

A tranzisztor-tranzisztor logika osztályozása

Ez egy teljesen tranzisztorokból álló logikus család. Egy tranzisztort alkalmaz több emitterrel. Kereskedelmi szempontból a 74-es sorozatokkal kezdődik, mint például a 7404, 74S86 stb. 1961-ben James L Bui építtette, és 1963-ban kereskedelmi forgalomban használták a logikai tervezésben. A TTL-eket a kimenet alapján osztályozzák.

Nyissa meg a gyűjtői kimenetet

A fő jellemző az, hogy kimenete 0, ha alacsony, és lebeg, ha magas. Általában külső Vcc alkalmazható.

A tranzisztor-tranzisztor logika nyílt kollektoros kimenete

A Q1 tranzisztor diódák halmazaként viselkedik. Ha a bemenet bármelyikének logikai értéke alacsony, a megfelelő emitter-bázis csomópont előre torzul, és a Q1 bázisán a feszültségesés körülbelül 0,9 V körül van, ez nem elegendő a Q2 és Q3 tranzisztorok vezetéséhez. Így a kimenet vagy lebegő, vagy Vcc, azaz magas szintű.

Hasonlóképpen, ha az összes bemenet magas, a Q1 összes bázis-emitteres csomópontja fordított előfeszítésű, és a Q2 és Q3 tranzisztor elegendő alapáramot kap, és telítettség üzemmódban van. A kimenet logikailag alacsony. (Ahhoz, hogy a tranzisztor telítettségre menjen, a kollektor áramának nagyobbnak kell lennie, mint az alapáram β-szorosa).

Alkalmazások

A nyitott kollektor kimenet alkalmazásai a következőket tartalmazzák.

• Távolsági lámpákban vagy relékben
• A vezetékes logika végrehajtásában
• Közös buszrendszer kiépítésében

Totemoszlop kimenet

A Totem Pole azt jelenti, hogy a kapu kimenetén aktív áramkört kell felhelyezni, ami a terjedési késés csökkenését eredményezi.

Totemoszlop kimenet TTL

A logikai művelet megegyezik a nyitott kollektor kimenetével. A Q4 tranzisztorok és a dióda a parazita kapacitás gyors töltését és kisütését biztosítja a Q3-on keresztül. Az ellenállást arra használják, hogy a kimeneti áram biztonságos értéket tartson.

Három államkapu

3 állapotkimenetet nyújt, hasonlóan a következőkhöz

• Alacsony szintű állapot, amikor az alsó tranzisztor be van kapcsolva, és a felső tranzisztor ki van kapcsolva.
• Magas szintű állapot, amikor az alsó tranzisztor KI és a felső tranzisztor BE van kapcsolva.
• Harmadik állapot, amikor mindkét tranzisztor KI van kapcsolva. Azt közvetlen vezetékcsatlakozást tesz lehetővé sok kimenet közül.

Három állapotkapu tranzisztor-tranzisztor logika

TTL Family Features

A TTL család jellemzői a következők.

• A logikai alacsony szint 0 vagy 0,2 V feszültségen van.
• A logikai magas szint 5V-on van.
• Tipikus ventilátor a 10-ből. Ez azt jelenti, hogy legfeljebb 10 kaput tud támogatni a kimenetén.
• Egy alap TTL eszköz csaknem 10 mW teljesítményt vesz fel, ami a Schottky-eszközök használatával csökken.
• Az átlagos terjedési késés körülbelül 9ns.
• A zajkülönbség körülbelül 0,4 V.

TTL IC sorozat

A TTL IC-k többnyire a 7-es szériával kezdődnek. 6 alcsaládja van:

1. Alacsony fogyasztású eszköz, 35 ns terjedési késéssel és 1 mW teljesítményveszteséggel.
2. Alacsony teljesítményű Schottky készülék 9ns késéssel
3. Fejlett Schottky készülék 1,5ns késéssel.
4. Fejlett alacsony fogyasztású Schottky 4 ns késleltetésű és 1mW teljesítményveszteségű készülék.

Bármely TTL eszköznómenklatúrában az első két név jelzi annak az alcsaládnak a nevét, amelyhez az eszköz tartozik. Az első két számjegy a működés hőmérsékleti tartományát jelzi. A következő két ábécé azt az alcsaládot jelöli, amelyhez az eszköz tartozik. Az utolsó két számjegy a chip által végrehajtott logikai funkciót jelöli. A példák: 74LS02-2 sem bemeneti NOR kapu, 74LS10- Triple 3 bemenet NAND kapu.

Tipikus TTL áramkörök

A logikai kapukat a mindennapi életben olyan alkalmazásokban használják, mint például ruhaszárító, számítógépes nyomtató, csengő stb.

A TTL logika segítségével megvalósított 3 alapvető logikai kapu az alábbiakban látható: -

NOR kapu

Tegyük fel, hogy az A bemenet logikailag magas, a megfelelő tranzisztor emitter-bázis csatlakozása fordított és a bázis-kollektor csatlakozása előre torzított. A Q3 tranzisztor az alapáramot a Vcc tápfeszültségtől kapja, és telítettségre megy. A Q3 alacsony kollektorfeszültségének eredményeként a Q5 tranzisztor megszakad, másrészt ha egy másik bemenet alacsony, akkor Q4 levágódik, ennek megfelelően Q5 levágódik, és a kimenet a Q3 tranzisztoron keresztül közvetlenül a földhöz csatlakozik . Hasonlóképpen, ha mindkét bemenet logikája alacsony, akkor a kimenet logikai magas lesz.

NOR Gate TTL

NEM kapu

Ha a bemenet alacsony, a megfelelő bázis-emitter csomópont előre és a bázis-kollektor csomópontja fordított torzítású. Ennek eredményeként a Q2 tranzisztor és a Q4 tranzisztor is levágódik. A Q3 tranzisztor telítettségre megy, a D2 dióda pedig vezetni kezd, a kimenet a Vcc-hez csatlakozik és logikai magasra megy. Hasonlóképpen, ha a bemenet logikai értéke magas, akkor a kimenet logikai értéke alacsony.

NEM Gate TTL

TTL összehasonlítás más logikai családokkal

Általában a TTL-eszközök több energiát fogyasztanak, mint a CMOS-eszközök, de az energia-kihasználás nem növekszik a CMOS-eszközök órajelén keresztül. A jelenlegi ECL áramkörökhöz képest a tranzisztor-tranzisztor logika alacsony fogyasztású, de egyszerű tervezési szabályokkal rendelkezik, de lényegesen lassabb.

A gyártók ugyanabban a rendszerben egyesíthetik a TTL és az ECL eszközöket a legjobb teljesítmény elérése érdekében, de a két logikai család között olyan eszközökre van szükség, mint a szinteltolás. A TTL kevéssé érzékeny az elektrosztatikus kisülés okozta károsodásokra, összehasonlítva a korai CMOS eszközökkel.

A TTL eszköz o / p felépítése miatt az o / p impedancia aszimmetrikus az alacsony és a magas állapot között, hogy alkalmatlanná tegye őket az átviteli vonalak meghajtására. Általában ez a hátrány leküzdhető azáltal, hogy az o / p-t speciális vonal-meghajtó eszközökkel pufferolja, ahol a jeleket a kábeleken keresztül kell továbbítani.

A TTL totem-pólusú o / p szerkezete gyakran gyorsan átfedi egymást, ha mind a magasabb, mind az alacsonyabb tranzisztorok vezetnek, ami jelentős áramjelet eredményez a tápegységből.

Ezek a jelek hirtelen módszerekkel kapcsolódhatnak össze több IC csomag között, ami alacsonyabb teljesítményt és csökkentett zajszintet eredményez. Általában a TTL rendszerek leválasztó kondenzátort használnak mindegyik különben két IC-csomaghoz, így az egyik TTL-chip áramjele pillanatnyilag nem csökkenti a feszültséget a másikra.

Jelenleg sok tervező szállít CMOS logikai egyenértékeket TTL-kompatibilis i / p & o / p szinteken keresztül olyan cikkszámokon keresztül, amelyek kapcsolódnak a megfelelő TTL komponenshez, beleértve ugyanazokat a pinoutokat. Így például a 74HCT00 sorozat számos bedobó alternatívát fog biztosítani a 7400 bipoláris sorozatú alkatrészekhez, azonban a CMOS technológiát használja.

A TTL összehasonlítása más logikai családokkal ’a különböző specifikációk tekintetében a következőket tartalmazza.

Tranzisztor-tranzisztor logikai inverter

A tranzisztoros tranzisztor-logikai (TTL) eszközök felváltották a diódás tranzisztor-logikát (DTL), mivel gyorsabban működnek és olcsóbban működnek. A Quad 2 bemenettel rendelkező NAND IC 7400 TTL eszközt használ az áramkörök széles skálájának megtervezéséhez, amelyet inverterként használnak.

A fenti kapcsolási rajz NAND kapukat használ az IC-n belül. Tehát válassza az A kapcsolót az áramkör aktiválásához, és akkor észreveheti, hogy az áramkör mindkét LED-je kialszik. Ha a kimenet alacsony, akkor a bemenetnek magasnak kell lennie. Ezt követően válassza ki a B kapcsolót, majd mindkét LED bekapcsol.

Ha az A kapcsolót választotta, akkor a NAND kapu mindkét bemenete magas lesz, ami azt jelenti, hogy a logikai kapuk kimenete kisebb lesz. A B kapcsoló kiválasztásakor a bemenetek sokáig nem lesznek magasak, és a LED-ek bekapcsolnak.

Előnyök és hátrányok

A TTL hátrányainak előnyei a következők.

A TTL legfőbb előnye, hogy könnyen összekapcsolódhatunk más áramkörökkel és nehéz logikai funkciókat generálhatunk bizonyos feszültségszintek és jó zajszintek miatt. A TTL jó tulajdonságokkal rendelkezik, mint például a ventilátor-be, ami azt jelenti, hogy az i / p jelek száma bemeneten keresztül elfogadható.

A TTL főként immunis a CMOS-hoz hasonló stacionárius áramkibocsátások káros hatásaitól, és a CMOS-hoz képest ezek gazdaságosak. A TTL fő hátránya a magas áramfelhasználás. A TTL jelenlegi magas követelményei támadó működéshez vezethetnek, mert az o / p állapotokat kikapcsolják. Még a különböző TTL verziók esetén is, amelyek alacsony áramfogyasztással rendelkeznek, versenyképesek lesznek a CMOS számára.

A CMOS megérkezésével a TTL alkalmazásokat lecserélték a CMOS-on keresztül. De a TTL-t még mindig használják az alkalmazásokban, mert meglehetősen robusztusak és a logikai kapuk meglehetősen olcsók.

TTL alkalmazások

A TTL alkalmazásai a következőket tartalmazzák.

• Vezérlő alkalmazásban használják 0–5 V feszültség biztosítására
• Kapcsolóeszközként használják távolsági lámpákban és relékben
• A. Processzoraiban használják mini számítógépek mint a DEC VAX
• Nyomtatókban és videokijelző terminálokban használják

Így erről van szó a TTL vagy a tranzisztor-tranzisztor logika áttekintése . Ez egy olyan IC-k csoportja, amelyek megtartják a logikai állapotokat, valamint elérik a váltást a BJT-k segítségével. A TTL az egyik oka annak, hogy az IC-ket ilyen széles körben használják, mivel olcsók, gyorsabbak és nagy megbízhatóságúak a TTL-hez és a DTL-hez képest. A TTL több emitteren keresztüli tranzisztort használ a több bemenetű kapukban. Itt van egy kérdés az Ön számára, melyek a tranzisztor-tranzisztor logika alkategóriái?