Транзисторно-транзисторная логика

Транзисторно-транзисторная логика (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 счёт 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 24В, однако это приводит к большому уровню паразитного сигнала. Достаточно малый уровень паразитного сигнала при сохранении достаточной эффективности достигается при напряжении 5В, поэтому данная цифра и вошла 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 её усилиями по продвижению серии 74. Поскольку биполярные интегральные ИМС серии 74 фирмы Texas Instruments стали наиболее распространёнными, 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

Принцип работы ТТЛ с простым инвертором:

Биполярные транзисторы могут работать в режимах: отсечки, насыщения, нормально активно, 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 слоёв полупроводника. (Подробнее о режимах работы биполярного транзистора см. Биполярный транзистор).

При нулевом потенциале на любом эмиттере многоэмиттерного транзистора VT1 (на упрощённой схеме — слева) он работает в нормальном режиме насыщения, так как в базу втекает ток резистора R1 (слева), поэтому потенциал коллектора VT1 и базы VT2 (справа) близок к нулю, что переводит VT2 в режим отсечки, поэтому на коллекторе VT2 потенциал близок к потенциалу источника питания V_cc, — на выходе элемента логическая 1. В этом состоянии изменение потенциала другого эмиттера не изменяет состояние элемента. Через эмиттер (вход), присоединённый к «земле» на землю вытекает ток I = (V_cc — 0,7)/R1, 0,7 В — падение напряжения на прямосмещённом эмиттерном переходе VT1.

Если отключить все эмиттеры, или подать на них напряжения логической 1 (более 2,4 В), то через прямосмещённый коллекторный переход VT1 в базу VT2 будет втекать ток резистора R1, I = (V_cc — 1,4)/R1, 1,4 В — сумма падений напряжений на прямосмещённом эмиттерном переходе VT2 и прямосмещённом 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 (справа), на выход выведен коллектор VT2, так называемые элементы с «открытым коллектором». Группу таких выходов можно электрически соединить, снабдив единственным внешним резистором, другим концом присоединённом к V_cc. Это позволяет расширить логическую функциональность логической схемы, такое соединение иногда называют «проводным ИЛИ». 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. 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 произошёл 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 ёмкость мала и задержки переключения малы, а быстродействие высокое, при этом 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

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 её 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 (её 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 тяжёлых 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 — серии 74AS (приблизительное соответствие);
• 1531 — серии 74F;
• 1533 — серии 74ALS;

Особенности применения микросхем с ТТЛ логикой

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 шинок (обычно из медных или латунных полос) с короткими отводами печатных дорожек к выводам питания. При многослойном монтаже выделяются отдельные слои для шинок питания. Применение разветвлённых дорожек питания запрещено.
• Между шинками питания устанавливаются блокировочные конденсаторы с малой паразитной индуктивностью (керамические или слюдяные). Минимальная ёмкость, 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 ёмкости будет появляться задержка прохождения сигнала (около 2 нс на один вход), кроме того, на неиспользуемые входы могут наводиться помехи. У ТТЛШ оставлять не подключёнными 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.

См. также

• Логические элементы

Ссылки

• www.inp.nsk.su/~kozak/ttl/ttlh01.htm Справочник по стандартным цифровым ТТЛ микросхемам

Отрывок, характеризующий Транзисторно-транзисторная логика

Расходившееся звездой по Москве всачивание французов в день 2 го сентября достигло квартала, в котором жил теперь Пьер, только к вечеру.
Пьер находился после двух последних, уединенно и необычайно проведенных дней в состоянии, близком к сумасшествию. Всем существом его овладела одна неотвязная мысль. Он сам не знал, как и когда, но мысль эта овладела им теперь так, что он ничего не помнил из прошедшего, ничего не понимал из настоящего; и все, что он видел и слышал, происходило перед ним как во сне.
Пьер ушел из своего дома только для того, чтобы избавиться от сложной путаницы требований жизни, охватившей его, и которую он, в тогдашнем состоянии, но в силах был распутать. Он поехал на квартиру Иосифа Алексеевича под предлогом разбора книг и бумаг покойного только потому, что он искал успокоения от жизненной тревоги, – а с воспоминанием об Иосифе Алексеевиче связывался в его душе мир вечных, спокойных и торжественных мыслей, совершенно противоположных тревожной путанице, в которую он чувствовал себя втягиваемым. Он искал тихого убежища и действительно нашел его в кабинете Иосифа Алексеевича. Когда он, в мертвой тишине кабинета, сел, облокотившись на руки, над запыленным письменным столом покойника, в его воображении спокойно и значительно, одно за другим, стали представляться воспоминания последних дней, в особенности Бородинского сражения и того неопределимого для него ощущения своей ничтожности и лживости в сравнении с правдой, простотой и силой того разряда людей, которые отпечатались у него в душе под названием они. Когда Герасим разбудил его от его задумчивости, Пьеру пришла мысль о том, что он примет участие в предполагаемой – как он знал – народной защите Москвы. И с этой целью он тотчас же попросил Герасима достать ему кафтан и пистолет и объявил ему свое намерение, скрывая свое имя, остаться в доме Иосифа Алексеевича. Потом, в продолжение первого уединенно и праздно проведенного дня (Пьер несколько раз пытался и не мог остановить своего внимания на масонских рукописях), ему несколько раз смутно представлялось и прежде приходившая мысль о кабалистическом значении своего имени в связи с именем Бонапарта; но мысль эта о том, что ему, l'Russe Besuhof, предназначено положить предел власти зверя, приходила ему еще только как одно из мечтаний, которые беспричинно и бесследно пробегают в воображении.
Когда, купив кафтан (с целью только участвовать в народной защите Москвы), Пьер встретил Ростовых и Наташа сказала ему: «Вы остаетесь? Ах, как это хорошо!» – в голове его мелькнула мысль, что действительно хорошо бы было, даже ежели бы и взяли Москву, ему остаться в ней и исполнить то, что ему предопределено.
На другой день он, с одною мыслию не жалеть себя и не отставать ни в чем от них, ходил с народом за Трехгорную заставу. Но когда он вернулся домой, убедившись, что Москву защищать не будут, он вдруг почувствовал, что то, что ему прежде представлялось только возможностью, теперь сделалось необходимостью и неизбежностью. Он должен был, скрывая свое имя, остаться в Москве, встретить Наполеона и убить его с тем, чтобы или погибнуть, или прекратить несчастье всей Европы, происходившее, по мнению Пьера, от одного Наполеона.
Пьер знал все подробности покушении немецкого студента на жизнь Бонапарта в Вене в 1809 м году и знал то, что студент этот был расстрелян. И та опасность, которой он подвергал свою жизнь при исполнении своего намерения, еще сильнее возбуждала его.
Два одинаково сильные чувства неотразимо привлекали Пьера к его намерению. Первое было чувство потребности жертвы и страдания при сознании общего несчастия, то чувство, вследствие которого он 25 го поехал в Можайск и заехал в самый пыл сражения, теперь убежал из своего дома и, вместо привычной роскоши и удобств жизни, спал, не раздеваясь, на жестком диване и ел одну пищу с Герасимом; другое – было то неопределенное, исключительно русское чувство презрения ко всему условному, искусственному, человеческому, ко всему тому, что считается большинством людей высшим благом мира. В первый раз Пьер испытал это странное и обаятельное чувство в Слободском дворце, когда он вдруг почувствовал, что и богатство, и власть, и жизнь, все, что с таким старанием устроивают и берегут люди, – все это ежели и стоит чего нибудь, то только по тому наслаждению, с которым все это можно бросить.
Это было то чувство, вследствие которого охотник рекрут пропивает последнюю копейку, запивший человек перебивает зеркала и стекла без всякой видимой причины и зная, что это будет стоить ему его последних денег; то чувство, вследствие которого человек, совершая (в пошлом смысле) безумные дела, как бы пробует свою личную власть и силу, заявляя присутствие высшего, стоящего вне человеческих условий, суда над жизнью.
С самого того дня, как Пьер в первый раз испытал это чувство в Слободском дворце, он непрестанно находился под его влиянием, но теперь только нашел ему полное удовлетворение. Кроме того, в настоящую минуту Пьера поддерживало в его намерении и лишало возможности отречься от него то, что уже было им сделано на этом пути. И его бегство из дома, и его кафтан, и пистолет, и его заявление Ростовым, что он остается в Москве, – все потеряло бы не только смысл, но все это было бы презренно и смешно (к чему Пьер был чувствителен), ежели бы он после всего этого, так же как и другие, уехал из Москвы.
Физическое состояние Пьера, как и всегда это бывает, совпадало с нравственным. Непривычная грубая пища, водка, которую он пил эти дни, отсутствие вина и сигар, грязное, неперемененное белье, наполовину бессонные две ночи, проведенные на коротком диване без постели, – все это поддерживало Пьера в состоянии раздражения, близком к помешательству.

Был уже второй час после полудня. Французы уже вступили в Москву. Пьер знал это, но, вместо того чтобы действовать, он думал только о своем предприятии, перебирая все его малейшие будущие подробности. Пьер в своих мечтаниях не представлял себе живо ни самого процесса нанесения удара, ни смерти Наполеона, но с необыкновенною яркостью и с грустным наслаждением представлял себе свою погибель и свое геройское мужество.
«Да, один за всех, я должен совершить или погибнуть! – думал он. – Да, я подойду… и потом вдруг… Пистолетом или кинжалом? – думал Пьер. – Впрочем, все равно. Не я, а рука провидения казнит тебя, скажу я (думал Пьер слова, которые он произнесет, убивая Наполеона). Ну что ж, берите, казните меня», – говорил дальше сам себе Пьер, с грустным, но твердым выражением на лице, опуская голову.
В то время как Пьер, стоя посередине комнаты, рассуждал с собой таким образом, дверь кабинета отворилась, и на пороге показалась совершенно изменившаяся фигура всегда прежде робкого Макара Алексеевича. Халат его был распахнут. Лицо было красно и безобразно. Он, очевидно, был пьян. Увидав Пьера, он смутился в первую минуту, но, заметив смущение и на лице Пьера, тотчас ободрился и шатающимися тонкими ногами вышел на середину комнаты.
– Они оробели, – сказал он хриплым, доверчивым голосом. – Я говорю: не сдамся, я говорю… так ли, господин? – Он задумался и вдруг, увидав пистолет на столе, неожиданно быстро схватил его и выбежал в коридор.
Герасим и дворник, шедшие следом за Макар Алексеичем, остановили его в сенях и стали отнимать пистолет. Пьер, выйдя в коридор, с жалостью и отвращением смотрел на этого полусумасшедшего старика. Макар Алексеич, морщась от усилий, удерживал пистолет и кричал хриплый голосом, видимо, себе воображая что то торжественное.
– К оружию! На абордаж! Врешь, не отнимешь! – кричал он.
– Будет, пожалуйста, будет. Сделайте милость, пожалуйста, оставьте. Ну, пожалуйста, барин… – говорил Герасим, осторожно за локти стараясь поворотить Макар Алексеича к двери.
– Ты кто? Бонапарт!.. – кричал Макар Алексеич.
– Это нехорошо, сударь. Вы пожалуйте в комнаты, вы отдохните. Пожалуйте пистолетик.
– Прочь, раб презренный! Не прикасайся! Видел? – кричал Макар Алексеич, потрясая пистолетом. – На абордаж!
– Берись, – шепнул Герасим дворнику.
Макара Алексеича схватили за руки и потащили к двери.
Сени наполнились безобразными звуками возни и пьяными хрипящими звуками запыхавшегося голоса.
Вдруг новый, пронзительный женский крик раздался от крыльца, и кухарка вбежала в сени.
– Они! Батюшки родимые!.. Ей богу, они. Четверо, конные!.. – кричала она.
Герасим и дворник выпустили из рук Макар Алексеича, и в затихшем коридоре ясно послышался стук нескольких рук во входную дверь.


Пьер, решивший сам с собою, что ему до исполнения своего намерения не надо было открывать ни своего звания, ни знания французского языка, стоял в полураскрытых дверях коридора, намереваясь тотчас же скрыться, как скоро войдут французы. Но французы вошли, и Пьер все не отходил от двери: непреодолимое любопытство удерживало его.
Их было двое. Один – офицер, высокий, бравый и красивый мужчина, другой – очевидно, солдат или денщик, приземистый, худой загорелый человек с ввалившимися щеками и тупым выражением лица. Офицер, опираясь на палку и прихрамывая, шел впереди. Сделав несколько шагов, офицер, как бы решив сам с собою, что квартира эта хороша, остановился, обернулся назад к стоявшим в дверях солдатам и громким начальническим голосом крикнул им, чтобы они вводили лошадей. Окончив это дело, офицер молодецким жестом, высоко подняв локоть руки, расправил усы и дотронулся рукой до шляпы.
– Bonjour la compagnie! [Почтение всей компании!] – весело проговорил он, улыбаясь и оглядываясь вокруг себя. Никто ничего не отвечал.
– Vous etes le bourgeois? [Вы хозяин?] – обратился офицер к Герасиму.
Герасим испуганно вопросительно смотрел на офицера.
– Quartire, quartire, logement, – сказал офицер, сверху вниз, с снисходительной и добродушной улыбкой глядя на маленького человека. – Les Francais sont de bons enfants. Que diable! Voyons! Ne nous fachons pas, mon vieux, [Квартир, квартир… Французы добрые ребята. Черт возьми, не будем ссориться, дедушка.] – прибавил он, трепля по плечу испуганного и молчаливого Герасима.
– A ca! Dites donc, on ne parle donc pas francais dans cette boutique? [Что ж, неужели и тут никто не говорит по французски?] – прибавил он, оглядываясь кругом и встречаясь глазами с Пьером. Пьер отстранился от двери.
Офицер опять обратился к Герасиму. Он требовал, чтобы Герасим показал ему комнаты в доме.
– Барин нету – не понимай… моя ваш… – говорил Герасим, стараясь делать свои слова понятнее тем, что он их говорил навыворот.
Французский офицер, улыбаясь, развел руками перед носом Герасима, давая чувствовать, что и он не понимает его, и, прихрамывая, пошел к двери, у которой стоял Пьер. Пьер хотел отойти, чтобы скрыться от него, но в это самое время он увидал из отворившейся двери кухни высунувшегося Макара Алексеича с пистолетом в руках. С хитростью безумного Макар Алексеич оглядел француза и, приподняв пистолет, прицелился.
– На абордаж!!! – закричал пьяный, нажимая спуск пистолета. Французский офицер обернулся на крик, и в то же мгновенье Пьер бросился на пьяного. В то время как Пьер схватил и приподнял пистолет, Макар Алексеич попал, наконец, пальцем на спуск, и раздался оглушивший и обдавший всех пороховым дымом выстрел. Француз побледнел и бросился назад к двери.
Забывший свое намерение не открывать своего знания французского языка, Пьер, вырвав пистолет и бросив его, подбежал к офицеру и по французски заговорил с ним.
– Vous n'etes pas blesse? [Вы не ранены?] – сказал он.
– Je crois que non, – отвечал офицер, ощупывая себя, – mais je l'ai manque belle cette fois ci, – прибавил он, указывая на отбившуюся штукатурку в стене. – Quel est cet homme? [Кажется, нет… но на этот раз близко было. Кто этот человек?] – строго взглянув на Пьера, сказал офицер.