Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое транзисторно-транзисторная логика, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое транзисторно-транзисторная логика, ттл, ttl , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.
Транзисторно-транзисторная ло́гика ( ттл , TTL) — разновидность цифровых логических микросхем, построенных на основе биполярных транзисторов и резисторов. Название транзисторно-транзисторный возникло из-за того, что транзисторы используются как для выполнения логических функций (например, И, ИЛИ), так и для усиления выходного сигнала (в отличие от резисторно-транзисторной и диодно-транзисторной логики).
Простейший базовый элемент ТТЛ выполняет логическую операцию И-НЕ, в принципе повторяет структуру ДТЛ-микросхем и в то же время за счет использования многоэмиттерного транзистора объединяет свойства диода и транзисторного усилителя, что позволяет увеличить быстродействие, снизить потребляемую мощность и усовершенствовать технологию изготовления микросхемы.
ТТЛ получила широкое распространение в компьютерах, электронных музыкальных инструментах, а также в контрольно-измерительной аппаратуре и автоматике (КИПиА). Благодаря широкому распространению ТТЛ входные и выходные цепи электронного оборудования часто выполняются совместимыми по электрическим характеристикам с ТТЛ. Максимальное напряжение в схемах с ТТЛ может достигать 24 В, однако, это приводит к большому уровню паразитного сигнала. Достаточно малый уровень паразитного сигнала при сохранении достаточной эффективности достигается при напряжении 5 В, поэтому данное значение и вошло в технический регламент ТТЛ.
ТТЛ стала популярной среди разработчиков электронных систем после того, как в 1965 году фирма Texas Instruments представила серию интегральных микросхем 7400. Данная серия микросхем стала промышленным стандартом, но ТТЛ-микросхемы производятся и другими компаниями. Более того, фирма Texas Instruments не была первой, кто начал выпуск ТТЛ-микросхем, несколько ранее его начали фирмы Sylvania и Transitron. Тем не менее промышленным стандартом стала именно серия 74 фирмы Texas Instruments, что в значительной мере объясняется большими производственными мощностями фирмы Texas Instruments, а также ее усилиями по продвижению серии 74. Поскольку биполярные ИМС серии 74 фирмы Texas Instruments стали наиболее распространенными, их функционально и параметрически повторяет продукция других фирм (Advanced Micro Devices, серия 90/9N/9L/9H/9S Fairchild, Harris, Intel, Intersil, Motorola, National и т. д).
Важность ТТЛ заключается в том, что ТТЛ-микросхемы оказались более пригодны для массового производства и при этом превосходили по параметрам ранее выпускавшиеся серии микросхем (резисторно-транзисторная и диодно-транзисторная логика).
Принцип работы ТТЛ с простым инвертором:
Биполярные транзисторы могут работать в режимах: отсечки, насыщения, нормально активный, инверсно активный. В инверсно активном режиме эмиттерный переход закрыт, а коллекторный переход открыт. В инверсном активном режиме коэффициент усиления транзистора по току значительно меньше, чем в нормальном режиме, из-за несимметричности конструктивного исполнения переходов база-коллектор и база-эмиттер, в частности, из-за разницы в их площадях и степени легирования коллекторного и эмиттерного слоев полупроводника (подробнее о режимах работы биполярного транзистора см. Биполярный транзистор).
При нулевом потенциале на любом эмиттере многоэмиттерного транзистора VT1 он работает в нормальном режиме насыщения, так как в базу втекает ток резистора R1, поэтому потенциал коллектора VT1 и базы VT2 близок к нулю (Vбэ1 = (A|B=0) + 0,7В ≱ Vбк1 + Vбэ2, описано в этой статье на английском языке), что переводит VT2 в режим отсечки, поэтому на коллекторе VT2 потенциал близок к потенциалу источника питания Vcc, — на выходе элемента логическая 1. В этом состоянии изменение потенциала другого эмиттера не изменяет состояние элемента. Через эмиттер (вход), присоединенный к «земле» на землю вытекает ток I = (Vcc — 0,7)/R1, 0,7 В — падение напряжения на прямосмещенном эмиттерном переходе VT1.
Если отключить все эмиттеры, или подать на них напряжения логической 1 (более 2,4 В), то через прямосмещенный коллекторный переход VT1 в базу VT2 будет втекать ток резистора R1, I = (Vcc — 1,4)/R1, 1,4 В — сумма падений напряжений на прямосмещенном эмиттерном переходе VT2 и прямосмещенном коллекторном переходе VT1, при этом VT2 переходит в состояние насыщения, его коллекторный потенциал становится близок к нулю (логический 0).
Таким образом, на выходе будет логический 0 только если все входы имеют состояние логической 1, это соответствует логической функции И-НЕ.
ТТЛ имеет повышенное, по сравнению с ДТЛ-логикой быстродействие, даже если используемые транзисторы имеют равное быстродействие. Это обусловлено тем, что при переходе выхода из состояния логического нуля в логическую 1 транзистор выходит из насыщения, неосновные носители, накопленные в базе VT2 не только самопроизвольно рассасываются, но и стекают в коллектор насыщенного VT1 (как было ранее сказано, его потенциал близок к нулю). Типовая задержка на элемент ранних серий ТТЛ-микросхем около 22 нс.
Некоторые микросхемы в каждой серии ТТЛ изготавливаются без резистора R2, на выход выведен коллектор VT2, так называемые элементы с «открытым коллектором». Группу таких выходов можно электрически соединить, снабдив единственным внешним резистором, другим концом присоединенном к Vcc, при этом реализуется логическая функция «И» — такое соединение иногда называют «проводным И». На электрических принципиальных схемах в условном обозначении элементов с открытым коллектором используется дополнительный символ.
ТТЛ-логика (как и ТТЛШ) является прямым наследником ДТЛ и использует тот же принцип действия. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Входной ТТЛ-транзистор (в отличие от обычного) имеет несколько, обычно от 2 до 8, эмиттеров. Эти эмиттеры выполняют роль входных диодов (если сравнивать с ДТЛ). Многоэмиттерный транзистор по сравнению с применявшейся в схемах ДТЛ сборкой из отдельных диодов занимает меньше места на кристалле и обеспечивает более высокое быстродействие. Следует отметить, что в микросхемах ТТЛШ, начиная с серии 74LS, вместо многэмиттерного транзистора используется сборка диодов Шоттки (серия 74LS) или PNP транзисторы в сочетании с диодами Шоттки (серии 74AS, 74ALS), так что фактически произошел возврат к ДТЛ. Название ТТЛ заслуженно носят лишь серии 74, 74H, 74L, 74S, содержащие многоэмиттерный транзистор. Все более поздние серии многоэмиттерного транзистора не содержат, фактически являются ДТЛ и носят название ТТЛШ (ТТЛ Шоттки) лишь «по традиции», будучи развитием именно ДТЛ.
транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ)
В ТТЛШ используются диоды Шоттки, в которых барьер Шоттки не позволяет транзистору войти в режим насыщения, в результате чего диффузионная емкость мала, и задержки переключения малы, а быстродействие высокое. Такая комбинация (биполярный транзистор-диод Шоттки в цепи база-коллектор) считается отдельным компонентом — транзистором Шоттки — и имеет собственное обозначение на электрических принципиальных схемах.
ТТЛШ-логика отличается от ТТЛ наличием диодов Шоттки в цепях база — коллектор, что исключает насыщение транзистора, а также наличием демпфирующих диодов Шоттки на входах (редко на выходах) для подавления импульсных помех, образующихся из-за отражений в длинных линиях связи (длинной считается линия, время распространения сигнала в которой больше длительности его фронта, для самых быстрых ТТЛШ микросхем линия становится длинной, начиная с длины в несколько сантиметров).
В скобках указаны типовые значения времени задержки (Tpd) и потребляемой мощности (Pd) для каждой серии, взятые из документа SDAA010.PDF фирмы Texas Instruments, кроме 74F, для которой данные взяты из AN-661 фирмы Fairchild.
Префикс серии «74» обозначает коммерческий вариант микросхем, «54» — индустриальный или военный, с расширенным температурным диапазоном −55 °C...+125 °C. Тип корпуса, как правило, указывается последней буквой в обозначении, например для Texas Instruments тип корпуса пластиковый DIP кодируется буквой N (SN7400N).
К131ЛА3, завод «Электронприбор» Фрязино
133ЛА3 военный вариант, завод «Планета» Великий Новгород
КМ155ЛА3, завод «Интеграл» Минск
И533КП11, завод «Светлана» Санкт-Петербург
Б533ТМ2 в кристаллоносителе, завод «Мезон» Кишинев
При работе ТТЛ-логики наблюдаются достаточно сильные всплески токов (особенно на выходе), которые могут создавать паразитные наводки на цепях питания, приводя к сбоям самих ТТЛ-элементов. Для борьбы с этим явлением необходимо руководствоваться следующими правилами:
Не всегда все имеющиеся входы ТТЛ-элемента используются в конкретной схеме. Если по логике работы на входе необходим нулевой сигнал, то неиспользуемые входы соединяются с общим проводом.
В ТТЛШ используются транзисторы Шоттки, в которых барьер Шоттки не позволяет транзистору в режим насыщения в результате чего диффузионная емкость имела и задержки переключения малы, а быстродействие высока.
ТТЛШ-логика отличается от ТТЛ наличием диодов Шоттки в кругах база - коллектор, исключает насыщение транзистора, а также наличием демпферных диодов Шоттки на входах (редко на выходах) для подавления импульсных помех, образующиеся из-за отражения в длинных линиях связи (длинной считается линия, время распространения сигнала в которой больше длительности его фронта, для быстрых ТТЛШ микросхем линия становится длинной начиная с длины в несколько сантиметров).
Устройства TTL потребляют значительно больше энергии, чем эквивалентные устройства CMOS в состоянии покоя, но потребление энергии не увеличивается с увеличением тактовой частоты так быстро, как для устройств CMOS. [27] По сравнению с современными схемами ECL , TTL потребляет меньше энергии и имеет более простые правила проектирования, но значительно медленнее. Разработчики могут комбинировать устройства ECL и TTL в одной системе для достижения наилучшей общей производительности и экономии, но между двумя семействами логики требуются устройства переключения уровня. TTL менее чувствителен к повреждениям от электростатического разряда, чем первые устройства CMOS.
Из-за выходной структуры устройств TTL выходной импеданс асимметричен между высоким и низким состояниями, что делает их непригодными для управления линиями передачи. Этот недостаток обычно преодолевается за счет буферизации выходов с помощью специальных устройств линейного драйвера, когда сигналы должны передаваться по кабелям. ECL, благодаря своей симметричной выходной структуре с низким импедансом, лишен этого недостатка.
Структура «тотемно-полюсного» выхода TTL часто имеет кратковременное перекрытие, когда и верхний, и нижний транзисторы проводят ток, что приводит к значительному импульсу тока, потребляемого от источника питания. Эти импульсы могут неожиданным образом объединяться между несколькими корпусами интегральных схем, что приводит к уменьшению запаса по шуму и снижению производительности. Системы TTL обычно имеют разделительный конденсатор для каждого одного или двух корпусов IC, так что импульс тока от одной микросхемы TTL не снижает мгновенно напряжение питания на другом.
Некоторые производители в настоящее время поставляют эквиваленты логики CMOS с TTL-совместимыми уровнями входа и выхода, обычно с номерами деталей, аналогичными эквивалентным компонентам TTL, и с такими же выводами . Например, серия 74HCT00 обеспечивает множество заменяемых компонентов для биполярных деталей серии 7400 , но использует технологию CMOS .
Последовательные поколения технологий производили совместимые детали с улучшенным энергопотреблением или скоростью переключения, или и тем, и другим. Хотя поставщики единообразно продавали эти различные линейки продуктов как TTL с диодами Шоттки , некоторые из базовых схем, например, используемые в семействе LS, скорее можно было бы рассматривать как DTL . [28]
Варианты и преемники основного семейства TTL, которое имеет типичную задержку распространения затвора 10 нс и рассеиваемую мощность 10 мВт на затвор, для продукта задержки мощности (PDP) или энергии переключения около 100 пДж , включают:
Большинство производителей предлагают коммерческие и расширенные диапазоны температур: например, детали серии 7400 от Texas Instruments рассчитаны на диапазон от 0 до 70 ° C, а устройства серии 5400 - в температурном диапазоне военных спецификаций от -55 до +125 ° C.
Доступны специальные уровни качества и высоконадежные детали для военного и аэрокосмического применения.
Для космического применения предлагаются радиационно-стойкие устройства (например, из серии SNJ54).
До появления устройств VLSI , интегральные схемы TTL были стандартным методом построения процессоров миникомпьютеров и мэйнфреймов ; например, DEC VAX и Data General Eclipse , а также для такого оборудования, как числовое программное управление станков, принтеров и видеотерминалов. По мере того, как микропроцессоры становились более функциональными, устройства TTL стали важными для приложений «связующей логики», таких как драйверы быстрой шины на материнской плате, которые связывают вместе функциональные блоки, реализованные в элементах СБИС.
Первоначально разработанный для обработки цифровых сигналов логического уровня, инвертор TTL может использоваться как аналоговый усилитель. Подключение резистора между выходом и входом смещает элемент TTL как усилитель с отрицательной обратной связью . Такие усилители могут быть полезны для преобразования аналоговых сигналов в цифровую область, но обычно не будут использоваться там, где аналоговое усиление является основной целью. [29] Инверторы TTL также могут использоваться в кварцевых генераторах, где их аналоговая способность усиления является значительной.
Затвор TTL может непреднамеренно работать как аналоговый усилитель, если вход подключен к медленно изменяющемуся входному сигналу, который пересекает неопределенную область от 0,8 В до 2 В. Выход может быть нестабильным, когда вход находится в этом диапазоне. Подобный медленно изменяющийся входной сигнал также может вызвать избыточное рассеивание мощности в выходной цепи. Если необходимо использовать такой аналоговый вход, существуют специализированные TTL-компоненты с входами триггера Шмитта , которые надежно преобразуют аналоговый вход в цифровое значение, эффективно работая как однобитный аналого-цифровой преобразователь.
Исследование, описанное в статье про транзисторно-транзисторная логика, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое транзисторно-транзисторная логика, ттл, ttl и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Комментарии
Оставить комментарий
Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Термины: Электроника, Микроэлектроника , Элементная база