Вам бонус- начислено 1 монета за дневную активность. Сейчас у вас 1 монета

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL)

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

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL)
Упрощенная схема элемента 2И-НЕ.

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.

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL)
Логический элемент 3И-НЕ в серии микросхем 74LS(К555)

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).

Разновидности

Серии ТТЛ-микросхем зарубежного производства

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL)
SN7400N

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.

  • 74 — базовая ТТЛ-серия. Несмотря на то, что была первой серией, выпускавшейся фирмой Texas Instruments, до сих пор находится в производстве ({Tpd = 10 нс, Pd = 10 мВт);
  • 74L — серия с пониженным энергопотреблением, заменена серией LS, а также КМОП-микросхемами, значительно превосходящими ее по экономичности (Tpd = 33 нс, Pd = 1 мВт);
  • 74H — повышенная скорость. Использовалась в 1960-е — начале 1970-х годов и была заменена S-серией (Tpd = 6 нс, Pd = 22 мВт);
  • 74S — с диодами Шоттки (Schottky). Хотя устарела (ее превосходят серии 74AS и 74F), до сих пор производится фирмой Texas Instruments (Tpd = 3 нс, Pd = 19 мВт);
  • 74LS — с диодами Шоттки и пониженным энергопотреблением (Low Power Schottky) (Tpd = 9 нс, Pd = 2 мВт);
  • 74AS — улучшенная с диодами Шоттки (Advanced Schottky) (Tpd = 1,7 нс, Pd = 8 мВт);
  • 74ALS — улучшенная с диодами Шоттки и пониженным энергопотреблением (Advanced Low Power Schottky) (Tpd = 4 нс, Pd = 1,2 мВт);
  • 74F — быстрая (Fast) с диодами Шоттки (Fast) (Tpd = 1,7 нс, Pd = 4 мВт, в действительности 74F несколько уступает по быстродействию 74AS);

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).

Советские серии ТТЛ-микросхем

  • 106 — ранняя серия ТТЛ-микросхем пониженной степени интеграции (не более 2 логических элементов в одном корпусе), предназначенная для тяжелых условий эксплуатации (военная аппаратура, космос, и т. п.). Не имеет аналогов среди микросхем фирмы Texas Instruments.
  • 133 и 155 соответствуют сериям 54 и 74;
  • 130, 131 — сериям 54H и 74H;
  • 134, КР134 — сериям 54L и 74L;
  • 136 и 158 — близки к сериям 54L и 74L, но имеют вдвое большее энергопотребление при несколько большем быстродействии;
  • 530 и 531 — сериям 54S и 74S;
  • 533 и 555 — сериям 54LS и 74LS;
  • 1530, КР1530 — сериям 54AS и 74AS (приблизительное соответствие);
  • 1531, КР1531 — сериям 54F и 74F;
  • 1533, КР1533 — сериям 54ALS и 74ALS;
  • Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL)

    К131ЛА3, завод «Электронприбор» Фрязино

  • Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL)

    133ЛА3 военный вариант, завод «Планета» Великий Новгород

  • Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL)

    КМ155ЛА3, завод «Интеграл» Минск

  • Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL)

    И533КП11, завод «Светлана» Санкт-Петербург

  • Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL)

    Б533ТМ2 в кристаллоносителе, завод «Мезон» Кишинев

Особенности применения микросхем с ТТЛ-логикой[править | править код]

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:

  • Питание ТТЛ-микросхем организуется в виде двух шин (обычно из медных или латунных полос) с короткими отводами печатных дорожек к выводам питания. При многослойном монтаже выделяются отдельные слои для шин питания. Применение разветвленных дорожек питания запрещено.
  • Между шинами питания устанавливаются блокировочные конденсаторы с малой паразитной индуктивностью (керамические или слюдяные). Минимальная емкость, количество блокировочных конденсаторов определяется инструкцией по монтажу ТТЛ-микросхемы.

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.

  • Для собственно ТТЛ-схемы неиспользуемые входы можно никуда не подключать, но из-за паразитной емкости будет появляться задержка прохождения сигнала (около 2 нс на один вход), кроме того, на неиспользуемые входы могут наводиться помехи. У ТТЛШ оставлять неподключенными неиспользуемые входы запрещено.
  • Можно соединить используемые и неиспользуемые входы (если это допустимо по схеме), но это увеличивает нагрузку на источник сигнала и также увеличивает задержку.
  • Неиспользуемые входы можно присоединить к выходу инвертирующего элемента, входы которого подсоединяются к общему проводу.
  • Неиспользуемые входы можно присоединить к источнику питания через резистор — для одних серий (количество одновременно подключаемых входов к одному резистору и величина этого сопротивления регламентируются соответствующими инструкциями) или непосредственно к питанию — для других.

Транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ)

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).

Сравнение с другими семействами логики

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 .

Подтипы

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:

  • Маломощный TTL (L), в котором скорость переключения (33 нс) заменяется снижением энергопотребления (1 мВт) (теперь по существу заменено на логику CMOS )
  • Высокоскоростной TTL (H), с более быстрым переключением, чем стандартный TTL (6 нс), но значительно более высоким рассеиваемой мощностью (22 мВт)
  • Шоттки TTL (S), представленный в 1969 году, в котором использовались диодные зажимы Шоттки на входах затвора для предотвращения накопления заряда и сокращения времени переключения. Эти ворота работали быстрее (3 нс), но имели более высокую рассеиваемую мощность (19 мВт).
  • Маломощный TTL Шоттки (LS) - использует более высокие значения сопротивления маломощного TTL и диодов Шоттки, чтобы обеспечить хорошее сочетание скорости (9,5 нс) и пониженного энергопотребления (2 мВт), а также PDP около 20 пДж. Вероятно, наиболее распространенный тип TTL, они использовались в качестве связующей логики в микрокомпьютерах, по существу заменяя бывшие подсемейства H, L и S.
  • Варианты LS Fast (F) и Advanced-Schottky (AS) от Fairchild и TI, соответственно, около 1985 г., со схемами « Миллер- убийца» для ускорения перехода от низкого к высокому. Эти семейства достигли PDP 10 пДж и 4 пДж соответственно, что является самым низким из всех семейств TTL.
  • Низковольтный TTL (LVTTL) для 3,3-вольтовых источников питания и интерфейса памяти.

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).

Применения

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.

Аналоговые применения

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.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

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

создано: 2021-06-07
обновлено: 2023-10-03
132265



Рейтиг 9 of 10. count vote: 2
Вы довольны ?:


Поделиться:

Найди готовое или заработай

С нашими удобными сервисами без комиссии*

Как это работает? | Узнать цену?

Найти исполнителя
$0 / весь год.
  • У вас есть задание, но нет времени его делать
  • Вы хотите найти профессионала для выплнения задания
  • Возможно примерение функции гаранта на сделку
  • Приорететная поддержка
  • идеально подходит для студентов, у которых нет времени для решения заданий
Готовое решение
$0 / весь год.
  • Вы можите продать(исполнителем) или купить(заказчиком) готовое решение
  • Вам предоставят готовое решение
  • Будет предоставлено в минимальные сроки т.к. задание уже готовое
  • Вы получите базовую гарантию 8 дней
  • Вы можете заработать на материалах
  • подходит как для студентов так и для преподавателей
Я исполнитель
$0 / весь год.
  • Вы профессионал своего дела
  • У вас есть опыт и желание зарабатывать
  • Вы хотите помочь в решении задач или написании работ
  • Возможно примерение функции гаранта на сделку
  • подходит для опытных студентов так и для преподавателей



Комментарии


Оставить комментарий
Если у вас есть какое-либо предложение, идея, благодарность или комментарий, не стесняйтесь писать. Мы очень ценим отзывы и рады услышать ваше мнение.
To reply

Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Термины: Электроника, Микроэлектроника , Элементная база