Transistor Logic Transistor (TTL) là gì và hoạt động của nó

Các cổng logic như NAND, NOR được sử dụng trong các ứng dụng hàng ngày để thực hiện các phép toán logic. Cổng được sản xuất bằng các thiết bị bán dẫn như BJT, Điốt, hoặc FET. Các cổng khác nhau được xây dựng bằng các mạch Tích hợp. Các mạch logic số được sản xuất tùy thuộc vào công nghệ mạch hoặc họ logic cụ thể. Các họ logic khác nhau là RTL (Logic Transistor điện trở), DTL (Logic Diode Transistor), TTL (Logic Transistor-Transistor), ECL (Emitter Coupled Logic) & CMOS (Bổ sung Metal Oxide Semiconductor Logic). Trong số này, RTL và DTL hiếm khi được sử dụng. Bài viết này thảo luận tổng quan về một Transistor-Transistor Logic hoặc TTL .

Lịch sử logic của Transistor-Transistor

Logic TTL hay Transistor-Transistor được phát minh vào năm 1961 bởi “James L. Buie của TRW”. Nó phù hợp để phát triển các mạch tích hợp mới. Tên thực tế của TTL này là TCTL có nghĩa là bóng bán dẫn logic ghép với bóng bán dẫn. Năm 1963, các thiết bị TTL thương mại đầu tiên được sản xuất được thiết kế bởi 'Sylvania' được biết đến với tên gọi SUHL hoặc 'Sylvania Universal High-Level Logic family'.

Sau khi các kỹ sư thiết bị ở Texas tung ra dòng IC 5400 vào năm 1964 với phạm vi nhiệt độ quân sự, thì Transistor-Transistor Logic đã trở nên rất phổ biến. Sau đó, dòng 7400 được tung ra thị trường với phạm vi hẹp hơn vào năm 1966.

Các bộ phận tương thích của dòng 7400 do các công cụ Texas đưa ra được thiết kế bởi một số công ty như National Semiconductor, AMD, Motorola, Intel, Fairchild, Signetics, Intersil, Mullard, SGS-Thomson, Siemens, Rifa, v.v. Công ty sản xuất một và duy nhất công ty như IBM đã được đưa ra các mạch không tương thích sử dụng TTL để sử dụng riêng của họ.

Logic Transistor-Transistor đã được áp dụng cho nhiều thế hệ logic lưỡng cực bằng cách cải thiện từ từ tốc độ cũng như khả năng sử dụng điện trong khoảng hai thập kỷ. Thông thường, mỗi chip TTL bao gồm hàng trăm bóng bán dẫn. Nói chung, các chức năng trong một gói duy nhất có phạm vi từ cổng logic đến bộ vi xử lý.
Máy tính đầu tiên như Kenbak-1 được sử dụng Transistor-Transistor Logic cho CPU của nó như một bộ vi xử lý thay thế. Vào năm 1970, Datapoint 2200 đã được sử dụng các thành phần TTL và nó là cơ sở cho 8008 và sau đó là tập lệnh x86.

GUI được Xerox alto giới thiệu vào năm 1973 cũng như các máy trạm Star vào năm 1981 đều được sử dụng mạch TTL được tích hợp ở cấp độ ALU.

Transistor-Transistor Logic (TTL) là gì?

Transistor-Transistor Logic (TTL) là một họ logic được tạo thành từ các BJT (bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực). Như tên cho thấy, bóng bán dẫn thực hiện hai chức năng như logic cũng như khuếch đại. Các ví dụ tốt nhất của TTL là các cổng logic cụ thể là Cổng 7402 NOR và cổng 7400 NAND.

Logic TTL bao gồm một số bóng bán dẫn có một số bộ phát cũng như một số đầu vào. Các loại TTL hoặc logic bóng bán dẫn chủ yếu bao gồm TTL tiêu chuẩn, TTL nhanh, TTL Schottky, TTL công suất cao, TTL công suất thấp & TTL nâng cao Schottky.

Việc thiết kế các cổng logic TTL có thể được thực hiện với các điện trở và BJT. Có một số biến thể của TTL được phát triển cho các mục đích khác nhau chẳng hạn như gói TTL cứng bức xạ cho các ứng dụng không gian và điốt Schottky công suất thấp có thể cung cấp sự kết hợp tuyệt vời giữa tốc độ và mức tiêu thụ điện năng ít hơn.

Các loại Transistor-Transistor Logic

TTL có nhiều loại khác nhau và việc phân loại chúng được thực hiện dựa trên kết quả đầu ra như sau.

• TTL tiêu chuẩn
• TTL nhanh
• Schottky TTL
• TTL công suất cao
• TTL công suất thấp
• Nâng cao Schottky TTL.

TTL công suất thấp hoạt động với tốc độ chuyển đổi 33ns để giảm mức tiêu thụ điện năng như 1 mW. Hiện tại, điều này đã được thay thế thông qua logic CMOS. TTL tốc độ cao có tốc độ chuyển đổi nhanh hơn so với TTL bình thường như 6ns. Tuy nhiên, nó có công suất tiêu tán cao như 22 mW.

Schottky TTL được ra mắt vào năm 1969 và nó được sử dụng để tránh tích điện nhằm nâng cao thời gian chuyển mạch bằng cách sử dụng kẹp diode Schottky ở đầu cuối cổng. Các thiết bị đầu cuối cổng này hoạt động trong 3ns tuy nhiên nó bao gồm tiêu tán công suất cao như 19 mW

TTL công suất thấp sử dụng các giá trị điện trở cao từ TTL công suất thấp. Điốt Schottky sẽ cung cấp sự kết hợp tốt giữa tốc độ cũng như giảm mức sử dụng điện năng như 2 mW. Đây là loại TTL chung nhất, được sử dụng giống như logic keo trong vi máy tính, về cơ bản thay thế các họ con trong quá khứ như L, H & S.

TTL nhanh được sử dụng để tăng quá trình chuyển đổi từ thấp đến cao. Các gia đình này tương ứng đạt PDP là 4pJ & 10 pJ. LVTTL hoặc TTL điện áp thấp cho nguồn điện 3,3V cũng như giao tiếp bộ nhớ.

Hầu hết các nhà thiết kế cung cấp phạm vi nhiệt độ thương mại cũng như rộng rãi. Ví dụ, phạm vi nhiệt độ của các bộ phận dòng 7400 của Texas Instruments nằm trong khoảng từ 0 - 70 ° C cũng như dải nhiệt độ của dòng 5400 là từ −55 đến +125 ° C. Các bộ phận có độ tin cậy cao và chất lượng đặc biệt có thể sử dụng cho các ứng dụng hàng không và quân sự trong khi các thiết bị bức xạ từ dòng SNJ54 được sử dụng trong các ứng dụng không gian.

Đặc điểm của TTL

Các đặc điểm của TTL bao gồm những điều sau đây.

1. Quạt ra: Số tải đầu ra của GATE có thể thúc đẩy mà không ảnh hưởng đến hiệu suất thông thường của nó. Theo tải, chúng tôi có nghĩa là lượng dòng điện được yêu cầu bởi đầu vào của Cổng khác được kết nối với đầu ra của cổng đã cho.
2. Sự thât thoat năng lượng: Nó đại diện cho lượng điện năng cần thiết của thiết bị. Nó được đo bằng mW. Nó thường là sản phẩm của điện áp cung cấp và lượng dòng điện trung bình được rút ra khi đầu ra cao hoặc thấp.
3. Độ trễ truyền: Nó đại diện cho thời gian chuyển tiếp trôi qua khi mức đầu vào thay đổi. Độ trễ xảy ra đối với đầu ra để thực hiện quá trình chuyển đổi của nó là độ trễ lan truyền.
4. Biên độ ồn: Nó đại diện cho lượng điện áp nhiễu cho phép ở đầu vào, không ảnh hưởng đến đầu ra tiêu chuẩn.
   

Phân loại Transistor-Logic bán dẫn

Nó là một họ logic bao gồm hoàn toàn các bóng bán dẫn. Nó sử dụng một bóng bán dẫn với nhiều bộ phát. Về mặt thương mại, nó bắt đầu với dòng 74 như 7404, 74S86, v.v. Nó được xây dựng vào năm 1961 bởi James L Bui và được sử dụng thương mại trong thiết kế logic vào năm 1963. TTL được phân loại dựa trên kết quả đầu ra.

Mở đầu ra của bộ thu

Đặc điểm chính là đầu ra của nó bằng 0 khi ở mức thấp và nổi khi ở mức cao. Thông thường, một Vcc bên ngoài có thể được áp dụng.

Mở đầu ra Collector của Transistor-Transistor Logic

Transistor Q1 hoạt động như một cụm điốt được đặt ngược nhau. Với bất kỳ đầu vào nào ở mức logic thấp, điểm nối đế phát tương ứng được phân cực thuận và điện áp rơi trên đế Q1 là khoảng 0,9V, không đủ để các bóng bán dẫn Q2 và Q3 dẫn điện. Do đó, đầu ra là thả nổi hoặc Vcc, tức là mức cao.

Tương tự, khi tất cả các đầu vào ở mức cao, tất cả các điểm nối bộ phát gốc của Q1 được phân cực ngược và bóng bán dẫn Q2 và Q3 nhận đủ dòng cơ bản và ở chế độ bão hòa. Đầu ra ở mức logic thấp. (Để một bóng bán dẫn đi đến trạng thái bão hòa, dòng điện thu phải lớn hơn β lần dòng điện cơ bản).

Các ứng dụng

Các ứng dụng của đầu ra bộ thu mở bao gồm những điều sau đây.

• Trong đèn lái hoặc rơ le
• Thực hiện logic có dây
• Trong việc xây dựng hệ thống xe buýt chung

Đầu ra cực Totem

Totem Pole có nghĩa là việc bổ sung một mạch tích cực kéo lên trong đầu ra của Cổng, dẫn đến giảm độ trễ truyền.

Đầu ra cực Totem TTL

Hoạt động logic giống như đầu ra bộ thu mở. Việc sử dụng bóng bán dẫn Q4 và diode là cung cấp khả năng sạc và xả nhanh chóng điện dung ký sinh trên Q3. Điện trở được sử dụng để giữ cho dòng ra ở một giá trị an toàn.

Cổng Tam quan

Nó cung cấp đầu ra 3 trạng thái như sau

• Trạng thái mức thấp khi bóng bán dẫn dưới BẬT và bóng bán dẫn trên là TẮT.
• Trạng thái mức cao khi bóng bán dẫn dưới là TẮT và bóng bán dẫn trên là BẬT.
• Trạng thái thứ ba khi cả hai bóng bán dẫn đều TẮT. Nó cho phép kết nối dây trực tiếp của nhiều đầu ra.

Ba cổng trạng thái Transistor-Transistor Logic

Tính năng gia đình TTL

Các tính năng của họ TTL bao gồm những điều sau đây.

• Mức thấp logic là 0 hoặc 0,2V.
• Mức logic cao là 5V.
• Quạt thông thường trong số 10. Điều đó có nghĩa là nó có thể hỗ trợ nhiều nhất 10 cổng ở đầu ra.
• Một thiết bị TTL cơ bản sử dụng công suất gần 10mW, giảm khi sử dụng các thiết bị Schottky.
• Độ trễ truyền trung bình là khoảng 9ns.
• Biên độ tiếng ồn là khoảng 0,4V.

Dòng IC TTL

IC TTL chủ yếu bắt đầu với loạt 7. Nó có 6 phân họ được đưa ra là:

1. Thiết bị Công suất thấp với độ trễ lan truyền là 35 ns và công suất tiêu tán là 1mW.
2. Schottky công suất thấp thiết bị có độ trễ 9ns
3. Thiết bị Schottky tiên tiến với độ trễ 1,5ns.
4. Công suất thấp nâng cao Schottky thiết bị có độ trễ 4 ns và công suất tiêu thụ 1mW.

Trong bất kỳ danh pháp thiết bị TTL nào, hai tên đầu tiên cho biết tên của phân họ thiết bị đó thuộc về. Hai chữ số đầu tiên cho biết phạm vi nhiệt độ hoạt động. Hai bảng chữ cái tiếp theo cho biết họ thuộc về thiết bị. Hai chữ số cuối cùng cho biết chức năng logic được thực hiện bởi chip. Các ví dụ là 74LS02- 2 không có cổng NOR đầu vào, 74LS10- Ba 3 cổng NAND đầu vào.

Mạch TTL điển hình

Logic Gates được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày trong các ứng dụng như máy sấy quần áo, máy in máy tính, chuông cửa, v.v.

3 cổng Logic cơ bản được thực hiện bằng logic TTL được đưa ra dưới đây: -

Cổng NOR

Giả sử đầu vào A ở mức logic cao, đường giao nhau gốc phát của bóng bán dẫn tương ứng được phân cực ngược và đường giao nhau thu gốc được phân cực thuận. Transistor Q3 nhận dòng điện cơ bản từ điện áp cung cấp Vcc và đi đến trạng thái bão hòa. Do điện áp cực thu thấp từ Q3, bóng bán dẫn Q5 bị cắt và mặt khác, nếu đầu vào khác ở mức thấp, Q4 bị cắt và tương ứng Q5 bị cắt và đầu ra được nối trực tiếp với đất thông qua bóng bán dẫn Q3 . Tương tự, khi cả hai đầu vào ở mức logic thấp, đầu ra sẽ ở mức logic cao.

Cổng NOR TTL

Cổng KHÔNG

Khi đầu vào ở mức thấp, đường giao nhau gốc-phát tương ứng được phân cực thuận và đường giao nhau gốc-thu được phân cực ngược. Kết quả là bóng bán dẫn Q2 bị cắt và bóng bán dẫn Q4 cũng bị cắt. Transistor Q3 đi đến trạng thái bão hòa và diode D2 bắt đầu dẫn và đầu ra được kết nối với Vcc và đi đến mức logic cao. Tương tự, khi đầu vào ở mức logic cao, đầu ra ở mức logic thấp.

KHÔNG Cổng TTL

So sánh TTL với các họ logic khác

Nói chung, các thiết bị TTL sử dụng nhiều năng lượng hơn so với các thiết bị CMOS, nhưng việc sử dụng năng lượng không tăng lên thông qua tốc độ đồng hồ cho các thiết bị CMOS. So với các mạch ECL hiện nay, mạch logic transistor sử dụng công suất thấp nhưng có quy tắc thiết kế đơn giản nhưng tốc độ chậm hơn đáng kể.

Các nhà sản xuất có thể hợp nhất các thiết bị TTL & ECL trong cùng một hệ thống để đạt được hiệu suất tốt nhất, nhưng các thiết bị như dịch chuyển mức là cần thiết giữa hai họ logic. TTL có độ nhạy thấp đối với thiệt hại do phóng tĩnh điện so với các thiết bị CMOS đời đầu.

Do cấu trúc o / p của thiết bị TTL, trở kháng o / p không đối xứng giữa các trạng thái thấp và cao khiến chúng không phù hợp để truyền động các đường truyền. Thông thường, nhược điểm này được khắc phục thông qua việc đệm o / p bằng cách sử dụng các thiết bị điều khiển đường truyền đặc biệt ở bất cứ nơi nào tín hiệu yêu cầu truyền qua cáp.

Cấu trúc o / p cực totem của TTL thường có sự chồng chéo nhanh chóng khi cả bóng bán dẫn cao hơn và thấp hơn đang dẫn, dẫn đến tín hiệu đáng kể về dòng điện được lấy từ nguồn điện.

Các tín hiệu này có thể kết nối theo phương thức đột ngột giữa một số gói IC, dẫn đến hiệu suất thấp hơn và giảm biên độ nhiễu. Nói chung, các hệ thống TTL sử dụng một tụ điện tách cho mỗi một, nếu không, hai gói IC, vì vậy tín hiệu dòng điện từ một chip TTL không làm giảm điện áp cung cấp điện áp sang một chip khác trong giây lát.

Hiện tại, nhiều nhà thiết kế cung cấp tương đương logic CMOS thông qua các mức i / p & o / p tương thích TTL thông qua các số bộ phận có liên quan đến thành phần TTL tương ứng bao gồm các sơ đồ chân giống nhau. Vì vậy, ví dụ, dòng 74HCT00 sẽ cung cấp một số thay thế thả vào cho các bộ phận của dòng 7400 lưỡng cực, tuy nhiên sử dụng công nghệ CMOS.

So sánh TTL với các họ logic khác 'về các đặc điểm kỹ thuật khác nhau bao gồm những điều sau đây.

Transistor-Transistor Logic Inverter

Các thiết bị bán dẫn Transistor Logic (TTL) đã thay thế logic transistor diode (DTL) vì chúng hoạt động nhanh hơn và hoạt động rẻ hơn. IC NAND với đầu vào Quad 2 sử dụng thiết bị 7400 TTL để thiết kế nhiều loại mạch được sử dụng như một bộ biến tần.

Sơ đồ mạch trên sử dụng cổng NAND bên trong IC. Vì vậy, chọn công tắc A để kích hoạt mạch sau đó bạn có thể nhận thấy rằng cả hai đèn LED trong mạch sẽ tắt. Khi đầu ra thấp, thì đầu vào phải cao. Sau đó, chọn công tắc B thì cả hai đèn LED sẽ BẬT.

Khi công tắc A được chọn thì cả hai đầu vào của cổng NAND sẽ ở mức cao, có nghĩa là đầu ra của cổng logic sẽ ít hơn. Khi công tắc B được chọn thì đầu vào sẽ không cao trong một thời gian dài và đèn LED sẽ BẬT.

Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm và nhược điểm của TTL bao gồm những điều sau đây.

Lợi ích chính của TTL là chúng ta có thể dễ dàng giao tiếp với các mạch khác và khả năng tạo ra các hàm logic khó khăn vì các mức điện áp nhất định cũng như biên độ nhiễu tốt TTL có các tính năng tốt như quạt trong có nghĩa là số lượng tín hiệu i / p mà có thể được chấp nhận thông qua một đầu vào.

TTL chủ yếu miễn nhiễm với tác hại từ phóng điện tĩnh không giống như CMOS & so với CMOS thì chúng là kinh tế. Hạn chế chính của TTL là sử dụng dòng điện cao. Các yêu cầu hiện tại cao của TTL có thể dẫn đến hoạt động khó chịu vì các trạng thái o / p sẽ bị tắt. Ngay cả với các phiên bản TTL khác nhau có mức tiêu thụ hiện tại thấp sẽ bị CMOS cạnh tranh.

Với sự xuất hiện của CMOS, các ứng dụng TTL đã được thay thế thông qua CMOS. Tuy nhiên, TTL vẫn được sử dụng trong các ứng dụng vì chúng khá mạnh và các cổng logic khá rẻ.

Ứng dụng TTL

Các ứng dụng của TTL bao gồm những điều sau đây.

• Được sử dụng trong ứng dụng bộ điều khiển để cung cấp 0 đến 5V
• Được sử dụng như một thiết bị chuyển mạch trong đèn lái xe và rơ le
• Được sử dụng trong bộ xử lý của máy tính mini như DEC VAX
• Được sử dụng trong máy in và thiết bị đầu cuối hiển thị video

Vì vậy, đây là tất cả về tổng quan về logic TTL hoặc Transistor-Transistor . Nó là một nhóm các IC giữ các trạng thái logic cũng như đạt được chuyển mạch bằng cách sử dụng BJT. TTL là một trong những lý do khiến IC được sử dụng rộng rãi vì chúng rẻ, nhanh hơn và độ tin cậy cao so với TTL và DTL. TTL sử dụng các bóng bán dẫn thông qua một số bộ phát trong các cổng có nhiều đầu vào. Đây, là một câu hỏi dành cho bạn, đó là các tiểu loại của logic transistor-transistor là gì?