Was ist Transistor Transistor Logic (TTL) und seine Funktionsweise?

Logikgatter wie NAND, NOR werden in täglichen Anwendungen zur Ausführung von Logikoperationen verwendet. Die Gates werden mit Halbleiterbauelementen wie BJT, Dioden oder FETs hergestellt. Verschiedene Gates werden mit integrierten Schaltkreisen konstruiert. Digitale Logikschaltungen werden abhängig von der spezifischen Schaltungstechnologie oder den Logikfamilien hergestellt. Die verschiedenen Logikfamilien sind RTL (Widerstandstransistorlogik), DTL (Diodentransistorlogik), TTL (Transistor-Transistor-Logik), ECL (Emitter Coupled Logic) und CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor Logic). Von diesen werden RTL und DTL selten verwendet. Dieser Artikel beschreibt einen Überblick über a Transistor-Transistor-Logik oder TTL .

Transistor-Transistor-Logik-Geschichte

Die TTL- oder Transistor-Transistor-Logik-Logik wurde 1961 von „James L. Buie of TRW“ erfunden. Es eignet sich zur Entwicklung neuer integrierter Schaltkreise. Der tatsächliche Name dieser TTL ist TCTL, was transistorgekoppelte Transistorlogik bedeutet. 1963 wurden die ersten kommerziellen TTL-Geräte von „Sylvania“, bekannt als SUHL oder „Sylvania Universal High-Level Logic Family“, entworfen.

Nachdem die texanischen Instrumenteningenieure im Jahr 1964 die ICs der Serie 5400 mit dem Bereich der militärischen Temperatur auf den Markt gebracht hatten, wurde die Transistor-Transistor-Logik sehr beliebt. Danach wurde die 7400-Serie im Jahr 1966 in einem engeren Bereich eingeführt.

Die kompatiblen Teile der 7400-Familien, die von Texas Instruments auf den Markt gebracht wurden, wurden von mehreren Unternehmen wie National Semiconductor, AMD, Motorola, Intel, Fairchild, Signetics, Intersil, Mullard, SGS-Thomson, Siemens, Rifa usw. entwickelt. Die einzige Herstellung Unternehmen wie IBM haben nicht kompatible Schaltkreise mit TTL für den eigenen Gebrauch auf den Markt gebracht.

Die Transistor-Transistor-Logik wurde auf viele bipolare Logikgenerationen angewendet, indem die Geschwindigkeit und der Stromverbrauch über etwa zwei Jahrzehnte langsam verbessert wurden. Normalerweise enthält jeder TTL-Chip Hunderte von Transistoren. Im Allgemeinen reichen Funktionen in einem einzelnen Paket von Logikgattern bis zu einem Mikroprozessor.
Der erste PC wie Kenbak-1 wurde als Alternative zu einem Mikroprozessor für seine CPU als Transistor-Transistor-Logik verwendet. Im Jahr 1970 wurden für den Datapoint 2200 TTL-Komponenten verwendet, und er war die Basis für den 8008 und danach für den x86-Befehlssatz.

Die von Xerox alto im Jahr 1973 eingeführte GUI sowie die Star-Workstations im Jahr 1981 wurden als TTL-Schaltungen verwendet, die auf der Ebene der ALUs integriert sind.

Was ist Transistor-Transistor-Logik (TTL)?

Die Transistor-Transistor-Logik (TTL) ist eine Logikfamilie, die aus BJTs (Bipolar Junction Transistors) besteht. Wie der Name schon sagt, erfüllt der Transistor zwei Funktionen wie Logik und Verstärkung. Die besten Beispiele für TTL sind Logikgatter, nämlich das 7402 NOR-Gatter und das 7400 NAND-Gatter.

Die TTL-Logik umfasst mehrere Transistoren mit mehreren Emittern sowie mehreren Eingängen. Die Arten von TTL- oder Transistor-Transistor-Logik umfassen hauptsächlich Standard-TTL, schnelle TTL, Schottky-TTL, Hochleistungs-TTL, Niedrigleistungs-TTL und Advanced Schottky-TTL.

Der Entwurf von TTL-Logikgattern kann mit Widerständen und BJTs erfolgen. Es gibt verschiedene Varianten von TTL, die für verschiedene Zwecke entwickelt wurden, wie z. B. die strahlungsgehärteten TTL-Gehäuse für Weltraumanwendungen und Schottky-Dioden mit geringer Leistung, die eine hervorragende Kombination aus Geschwindigkeit und geringerem Stromverbrauch bieten können.

Arten von Transistor-Transistor-Logik

TTLs sind in verschiedenen Typen verfügbar und ihre Klassifizierung erfolgt basierend auf der Ausgabe wie folgt.

• Standard TTL
• Schnelle TTL
• Schottky TTL
• Hochleistungs-TTL
• Low Power TTL
• Fortgeschrittene Schottky TTL.

Low-Power-TTL arbeitet mit einer Schaltgeschwindigkeit von 33 ns, um den Stromverbrauch um 1 mW zu senken. Derzeit wurde dies durch CMOS-Logik ersetzt. High-Speed-TTL schaltet schneller als normale TTL wie 6ns. Es hat jedoch eine hohe Verlustleistung wie 22 mW.

Schottky TTL wurde im Jahr 1969 eingeführt und wird verwendet, um die Speicherung von Ladung zu vermeiden, um die Schaltzeit durch Verwendung von Schottky-Diodenklemmen am Gate-Anschluss zu verlängern. Diese Gate-Anschlüsse arbeiten in 3 ns, enthalten jedoch eine hohe Verlustleistung wie 19 mW

Low Power TTL verwendet hohe Widerstandswerte von Low Power TTL. Die Schottky-Dioden bieten eine gute Mischung aus Geschwindigkeit und vermindertem Stromverbrauch wie 2 mW. Dies ist die allgemeinste Art von TTL, die wie die Klebelogik in Mikrocomputern verwendet wird und im Grunde die früheren Unterfamilien wie L, H & S ersetzt.

Die schnelle TTL wird verwendet, um den Übergang von niedrig nach hoch zu erhöhen. Diese Familien erreichten entsprechend PDPs von 4pJ und 10 pJ. LVTTL oder Niederspannungs-TTL für 3,3-V-Netzteile sowie Speicherschnittstellen.

Die meisten Designer bieten sowohl kommerzielle als auch umfangreiche Temperaturbereiche an. Beispielsweise reicht der Temperaturbereich von Teilen der Serie 7400 von Texas Instruments von 0 bis 70 ° C sowie der Temperaturbereich der Serie 5400 von –55 bis +125 ° C. Die Teile mit hoher Zuverlässigkeit und besonderer Qualität sind für Luft- und Raumfahrt- und Militäranwendungen zugänglich, während die Strahlungsgeräte der SNJ54-Serie in Weltraumanwendungen eingesetzt werden.

Eigenschaften von TTL

Die Eigenschaften von TTL umfassen Folgendes.

1. Ausschwärmen: Anzahl der Lasten, die der Ausgang eines GATE steuern kann, ohne die übliche Leistung zu beeinträchtigen. Mit Last ist die Strommenge gemeint, die vom Eingang eines anderen Gatters benötigt wird, das mit dem Ausgang des gegebenen Gatters verbunden ist.
2. Energieverschwendung: Es gibt die vom Gerät benötigte Leistung an. Es wird in mW gemessen. Dies ist normalerweise das Produkt aus Versorgungsspannung und der Menge des durchschnittlichen Stroms, der bei hohem oder niedrigem Ausgang entnommen wird.
3. Ausbreitungsverzögerung: Es stellt die Übergangszeit dar, die vergeht, wenn sich der Eingangspegel ändert. Die Verzögerung, die auftritt, damit der Ausgang seinen Übergang vollzieht, ist die Ausbreitungsverzögerung.
4. Rauschunterdrückung: Es stellt die am Eingang zulässige Rauschspannung dar, die den Standardausgang nicht beeinflusst.
   

Klassifikation der Transistor-Transistor-Logik

Es ist eine logische Familie, die vollständig aus Transistoren besteht. Es wird ein Transistor mit mehreren Emittern verwendet. Kommerziell beginnt es mit der 74er-Serie wie dem 7404, 74S86 usw. Es wurde 1961 von James L Bui gebaut und 1963 kommerziell im Logikdesign verwendet. TTLs werden basierend auf der Ausgabe klassifiziert.

Öffnen Sie die Kollektorausgabe

Das Hauptmerkmal ist, dass sein Ausgang 0 ist, wenn er niedrig ist, und schwebend, wenn er hoch ist. Normalerweise kann ein externer Vcc angelegt werden.

Open Collector-Ausgang der Transistor-Transistor-Logik

Der Transistor Q1 verhält sich wie ein Cluster von Dioden, die hintereinander angeordnet sind. Wenn einer der Eingänge logisch niedrig ist, ist der entsprechende Emitter-Basis-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt, und der Spannungsabfall an der Basis von Q1 beträgt etwa 0,9 V, was für die Transistoren Q2 und Q3 nicht ausreicht, um zu leiten. Somit ist der Ausgang entweder schwebend oder Vcc, d. H. Hoher Pegel.

In ähnlicher Weise sind, wenn alle Eingänge hoch sind, alle Basis-Emitter-Übergänge von Q1 in Sperrrichtung vorgespannt und die Transistoren Q2 und Q3 erhalten genügend Basisstrom und befinden sich im Sättigungsmodus. Der Ausgang ist logisch niedrig. (Damit ein Transistor zur Sättigung geht, sollte der Kollektorstrom größer als das β-fache des Basisstroms sein.)

Anwendungen

Die Anwendungen der Open-Collector-Ausgabe umfassen Folgendes.

• In Fahrlampen oder Relais
• Bei der Durchführung der verdrahteten Logik
• Beim Aufbau eines gemeinsamen Bussystems

Totempfahlausgang

Totempfahl bedeutet das Hinzufügen eines aktiven Pull-up-Schaltkreises am Ausgang des Gates, was zu einer Verringerung der Ausbreitungsverzögerung führt.

Totempfahlausgang TTL

Die Logikoperation ist dieselbe wie die Open-Collector-Ausgabe. Die Verwendung der Transistoren Q4 und der Diode dient zum schnellen Laden und Entladen der parasitären Kapazität über Q3. Der Widerstand wird verwendet, um den Ausgangsstrom auf einem sicheren Wert zu halten.

Drei-Staatstor

Es bietet 3 Statusausgabe wie folgt

• Low-Level-Zustand, wenn ein unterer Transistor eingeschaltet und ein oberer Transistor ausgeschaltet ist.
• High-Level-Zustand, wenn der untere Transistor ausgeschaltet und der obere Transistor eingeschaltet ist.
• Dritter Zustand, wenn beide Transistoren ausgeschaltet sind. Es ermöglicht eine direkte Kabelverbindung von vielen Ausgängen.

Drei-Zustands-Gate-Transistor-Transistor-Logik

Funktionen der TTL-Familie

Zu den Merkmalen der TTL-Familie gehören die folgenden.

• Der niedrige Logikpegel liegt bei 0 oder 0,2 V.
• Der hohe Logikpegel liegt bei 5V.
• Typischer Lüfter von 10. Dies bedeutet, dass er höchstens 10 Gates an seinem Ausgang unterstützen kann.
• Ein einfaches TTL-Gerät verbraucht eine Leistung von fast 10 mW, was sich bei Verwendung von Schottky-Geräten verringert.
• Die durchschnittliche Ausbreitungsverzögerung beträgt etwa 9 ns.
• Der Rauschabstand beträgt ca. 0,4V.

Serie von TTL IC

TTL-ICs beginnen meist mit der 7er-Serie. Es hat 6 Unterfamilien angegeben als:

1. Low Power Gerät mit einer Laufzeitverzögerung von 35 ns und einer Verlustleistung von 1 mW.
2. Schottky mit geringer Leistung Gerät mit einer Verzögerung von 9ns
3. Fortschrittliches Schottky-Gerät mit einer Verzögerung von 1,5 ns.
4. Fortschrittlicher Schottky mit geringer Leistung Gerät mit einer Verzögerung von 4 ns und einer Verlustleistung von 1 mW.

In jeder TTL-Gerätenomenklatur geben die ersten beiden Namen den Namen der Unterfamilie an, zu der das Gerät gehört. Die ersten beiden Ziffern geben den Betriebstemperaturbereich an. Die nächsten beiden Alphabete geben die Unterfamilie an, zu der das Gerät gehört. Die letzten beiden Ziffern geben die vom Chip ausgeführte Logikfunktion an. Die Beispiele sind 74LS02-2, kein Eingangs-NOR-Gatter, 74LS10-Triple-3-Eingangs-NAND-Gatter.

Typische TTL-Schaltungen

Logic Gates werden im täglichen Leben in Anwendungen wie Wäschetrockner, Computerdrucker, Türklingel usw. verwendet.

Die 3 grundlegenden Logikgatter, die unter Verwendung der TTL-Logik implementiert wurden, sind nachstehend aufgeführt: -

NOR-Tor

Angenommen, Eingang A ist logisch hoch, der Emitter-Basis-Übergang des entsprechenden Transistors ist in Sperrrichtung vorgespannt und der Basis-Kollektor-Übergang ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Der Transistor Q3 erhält den Basisstrom von der Versorgungsspannung Vcc und geht zur Sättigung. Infolge der niedrigen Kollektorspannung von Q3 wird der Transistor Q5 abgeschaltet, und wenn andererseits ein anderer Eingang niedrig ist, wird Q4 abgeschaltet und entsprechend wird Q5 abgeschaltet und der Ausgang wird über den Transistor Q3 direkt mit Masse verbunden . Wenn beide Eingänge logisch niedrig sind, befindet sich der Ausgang auf logisch hoch.

NOR Gate TTL

NICHT Tor

Wenn der Eingang niedrig ist, ist der entsprechende Basis-Emitter-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt, und der Basis-Kollektor-Übergang ist in Rückwärtsrichtung vorgespannt. Infolgedessen wird der Transistor Q2 abgeschaltet und auch der Transistor Q4 wird abgeschaltet. Der Transistor Q3 geht auf Sättigung und die Diode D2 beginnt zu leiten und der Ausgang ist mit Vcc verbunden und geht auf logisch hoch. In ähnlicher Weise ist der Ausgang logisch niedrig, wenn der Eingang logisch hoch ist.

NICHT Gate TTL

TTL-Vergleich mit anderen Logikfamilien

Im Allgemeinen verbrauchen TTL-Geräte im Vergleich zu CMOS-Geräten mehr Strom, aber die Stromauslastung wird durch die Taktrate von CMOS-Geräten nicht verbessert. Im Vergleich zu aktuellen ECL-Schaltungen verwendet die Transistor-Transistor-Logik eine geringe Leistung, hat jedoch einfache Entwurfsregeln, ist jedoch erheblich langsamer.

Hersteller können TTL- und ECL-Geräte in demselben System zusammenfassen, um die beste Leistung zu erzielen. In beiden Logikfamilien sind jedoch Geräte wie Pegelverschiebungen erforderlich. TTL ist im Vergleich zu frühen CMOS-Bauelementen unempfindlich gegenüber Schäden durch elektrostatische Entladung.

Aufgrund der O / P-Struktur des TTL-Geräts ist die O / P-Impedanz zwischen dem niedrigen und dem hohen Zustand asymmetrisch, sodass sie nicht für die Ansteuerung von Übertragungsleitungen geeignet sind. Normalerweise wird dieser Nachteil durch Puffern des O / P mit speziellen Leitungstreibergeräten überwunden, wenn Signale über Kabel übertragen werden müssen.

Die Totempfahl-O / P-Struktur von TTL hat häufig eine schnelle Überlappung, sobald sowohl der höhere als auch der niedrigere Transistor leitend sind, was zu einem erheblichen Stromsignal führt, das aus der Stromversorgung entnommen wird.

Diese Signale können auf plötzliche Weise zwischen mehreren IC-Gehäusen verbunden werden, was zu einer geringeren Leistung und einem geringeren Rauschabstand führt. Im Allgemeinen verwenden die TTL-Systeme einen Entkopplungskondensator für jeweils zwei IC-Gehäuse, sodass ein Stromsignal von einem TTL-Chip die Spannungsversorgungsspannung nicht vorübergehend auf einen anderen verringert.

Gegenwärtig liefern viele Entwickler CMOS-Logikäquivalente über TTL-kompatible I / P & O / P-Ebenen über Teilenummern, die sich auf die entsprechende TTL-Komponente beziehen, einschließlich derselben Pinbelegung. So bietet die 74HCT00-Serie beispielsweise mehrere Drop-In-Alternativen für Teile der bipolaren 7400-Serie, verwendet jedoch die CMOS-Technologie.

Der Vergleich von TTL mit anderen Logikfamilien hinsichtlich unterschiedlicher Spezifikationen umfasst Folgendes.

Transistor-Transistor-Logik-Wechselrichter

Die Transistor Transistor Logic (TTL) -Vorrichtungen haben die Diodentransistorlogik (DTL) ersetzt, da sie schneller arbeiten und billiger zu funktionieren sind. Der NAND-IC mit Quad-2-Eingang verwendet ein 7400-TTL-Gerät, um eine Vielzahl von Schaltkreisen zu entwerfen, die als Wechselrichter verwendet werden.

Das obige Schaltbild verwendet NAND-Gatter innerhalb des IC. Wählen Sie also Schalter A, um den Stromkreis zu aktivieren. Dann können Sie feststellen, dass beide LEDs im Stromkreis erlöschen. Wenn der Ausgang niedrig ist, sollte der Eingang hoch sein. Wählen Sie danach den Schalter B und beide LEDs leuchten auf.

Wenn Schalter A ausgewählt hat, sind beide Eingänge des NAND-Gatters hoch, was bedeutet, dass der Ausgang der Logikgatter geringer ist. Wenn Schalter B ausgewählt ist, sind die Eingänge lange Zeit nicht hoch und die LEDs leuchten auf.

Vorteile und Nachteile

Die Vor- und Nachteile von TTL umfassen die folgenden.

Der Hauptvorteil von TTL besteht darin, dass wir aufgrund bestimmter Spannungspegel und guter Rauschmargen problemlos eine Schnittstelle zu anderen Schaltkreisen herstellen und schwierige Logikfunktionen erzeugen können. TTL verfügt über gute Funktionen wie Fan-In, dh die Anzahl der I / P-Signale, die kann über eine Eingabe akzeptiert werden.

TTL ist hauptsächlich immun gegen Schäden durch stationäre Stromentladungen, die CMOS nicht ähneln, und im Vergleich zu CMOS sind diese wirtschaftlich. Der Hauptnachteil von TTL ist die hohe Stromauslastung. Die hohen Stromanforderungen der TTL können zu offensiven Funktionen führen, da die O / P-Zustände deaktiviert werden. Selbst bei verschiedenen TTL-Versionen mit geringem Stromverbrauch ist CMOS konkurrenzfähig.

Mit der Einführung von CMOS wurden TTL-Anwendungen durch CMOS ersetzt. TTL wird jedoch immer noch in Anwendungen verwendet, da sie ziemlich robust sind und die Logikgatter ziemlich billig sind.

TTL-Anwendungen

Die Anwendungen von TTL umfassen Folgendes.

• Wird in der Controller-Anwendung zur Bereitstellung von 0 bis 5 V verwendet
• Wird als Schaltgerät in Antriebslampen und Relais verwendet
• Wird in Prozessoren von verwendet Mini-Computer wie DEC VAX
• Wird in Druckern und Videoanzeigeterminals verwendet

Das ist also alles über eine Übersicht über die TTL- oder Transistor-Transistor-Logik . Es ist eine Gruppe von ICs, die logische Zustände beibehalten und das Schalten mit BJTs erreichen. TTL ist einer der Gründe, warum ICs so häufig verwendet werden, weil sie im Vergleich zu TTL und DTL kostengünstig, schneller und zuverlässiger sind. Eine TTL verwendet Transistoren über mehrere Emitter in Gates mit mehreren Eingängen. Hier ist eine Frage für Sie, was sind die Unterkategorien der Transistor-Transistor-Logik?