ตรรกะทรานซิสเตอร์-ทรานซิสเตอร์
ลอจิกทรานซิสเตอร์-ทรานซิสเตอร์ ( TTL ) เป็นตระกูลลอจิกที่สร้างขึ้นจากทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ ชัน (BJT) ชื่อของมันบ่งบอกว่าทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่ทั้งด้านลอจิก (ทรานซิสเตอร์ตัวแรก) และด้านการขยายสัญญาณ (ทรานซิสเตอร์ตัวที่สอง) ซึ่งแตกต่างจากลอจิกตัวต้านทาน-ทรานซิสเตอร์ (RTL) และลอจิกไดโอด-ทรานซิสเตอร์ (DTL) ในยุคก่อนหน้า
วงจรรวม TTL (IC) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่นคอมพิวเตอร์การควบคุมอุตสาหกรรม อุปกรณ์ทดสอบและเครื่องมือวัดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคและเครื่องสังเคราะห์เสียง[ 1 ]
หลังจากที่บริษัท Sylvania Electric Productsได้เปิดตัววงจรรวมแบบTTL ในปี 1963 วงจรรวมแบบ TTL ก็ถูกผลิตขึ้นโดยบริษัทผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์หลายแห่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งซีรีส์ 7400ของTexas Instruments ได้รับความนิยมอย่างมาก ผู้ผลิต TTL นำเสนอ วงจรลอจิก เก ตฟลิปฟลอป ตัวนับ และวงจรอื่นๆ อีก มากมายการออกแบบวงจร TTL แบบดั้งเดิมได้รับการปรับปรุงให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นหรือใช้พลังงานน้อยลง เพื่อให้สามารถออกแบบได้อย่างเหมาะสม อุปกรณ์ TTL เดิมผลิตในแพ็คเกจแบบ Dual In-Line Package (DIP) ที่ทำจากเซรามิกและพลาสติก และในรูปแบบ Flat-Pack ปัจจุบันชิป TTL บางตัวก็ผลิตใน แพ็คเกจแบบSurface Mount Technology (SMT) ด้วยเช่นกัน
TTL กลายเป็นรากฐานของคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลอื่นๆ แม้หลังจากไมโครโปรเซสเซอร์วงจรรวมCMOS แบบ VLSI ( Very-Large-Scale Integration ) ทำให้โปรเซสเซอร์แบบหลายชิปหมดความจำเป็นไปแล้ว อุปกรณ์ TTL ก็ยังคงถูกใช้งานอย่างแพร่หลายในฐานะ ตัวเชื่อมต่อ ตรรกะระหว่างส่วนประกอบที่มีการรวมวงจรหนาแน่นกว่า
ประวัติศาสตร์

วงจรลอจิกที่เชื่อมต่อด้วยทรานซิสเตอร์ในยุคแรกได้รับการอธิบายในปี 1962 โดย RH Beeson และ HW Ruegg จากFairchild Semiconductorใน “New Forms of All-Transistor Logic” ซึ่งนำเสนอในการ ประชุม IEEE International Solid-State Circuits Conferenceโดยวิธีการนี้ถูกกล่าวถึงอย่างชัดเจนว่าเป็นลอจิกทรานซิสเตอร์-ทรานซิสเตอร์ (TTL หรือ T²L) [ 2 ]ในช่วงเวลาเดียวกัน ที่ Pacific Semiconductor (ซึ่งต่อมาถูกซื้อกิจการโดยTRW ) James L. Buie ได้อธิบายวงจรที่คล้ายกันนี้ว่าเป็นลอจิกทรานซิสเตอร์ที่เชื่อมต่อด้วยทรานซิสเตอร์ (TCTL) โดยแยกความแตกต่างจากลอจิกทรานซิสเตอร์ที่เชื่อมต่อด้วยไดโอด ( DCTL ) [ 3 ]
ดังที่ พิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์คอมพิวเตอร์ได้สรุปไว้ในภายหลังการพัฒนาเหล่านี้เกิดขึ้นพร้อมกันในหลายบริษัทในช่วงต้นทศวรรษ 1960 [ 4 ]ในปี 1962 กอร์ดอน มัวร์ซึ่งขณะนั้นอยู่ที่แฟร์ไชลด์ ได้กล่าวถึงแนวทางนี้ว่า T²L และตั้งข้อสังเกตว่าถึงแม้จะเรียบง่ายและเหมาะสมกับการรวมเข้าด้วยกัน แต่ก็ประสบปัญหาเรื่องความต้านทานต่อสัญญาณรบกวนลดลงและ “การแย่งกระแส” ซึ่งจำกัด fan-in และ fan-out การเพิ่มส่วนประกอบที่จำเป็นเพื่อแก้ไขข้อบกพร่องเหล่านี้ทำให้ข้อดีของมันลดลง[ 5 ]ต่อมาแฟร์ไชลด์ได้พัฒนาตรรกะไดโอด-ทรานซิสเตอร์เป็นตระกูลผลิตภัณฑ์ถัดไป
ในช่วงกลางทศวรรษ 1960 มีการใช้ตระกูลตรรกะหลากหลายประเภท รวมถึง RTL, RCTL, DCTL, LLL, CML และ DTL โดยมี TTL เกิดขึ้นเป็นตระกูลเพิ่มเติม[ 6 ]
การทำงานที่Sylvaniaภายใต้การนำของ Tom Longo ได้ปรับปรุงตรรกะที่เชื่อมต่อด้วยทรานซิสเตอร์ให้เป็นตระกูลที่ได้รับการสนับสนุนทางการค้า ซึ่งเปิดตัวในปี 1963 ในชื่อ Sylvania Universal High-Level Logic (SUHL) [ 7 ]มีการยื่นขอสิทธิบัตรสำหรับการออกแบบในเดือนพฤษภาคมและมิถุนายน 1963 [ 8 ] [ 9 ] ชิ้นส่วนของ Sylvania ถูกนำไปใช้ในแอปพลิเค ชันต่างๆ รวมถึงการควบคุมขีปนาวุธ Phoenix [ 7 ]
ต่อมา Texas Instruments ได้กำหนดมาตรฐานและทำให้ TTL เป็นที่นิยมด้วย ซีรี่ส์ 5400ในปี 1964 และ ซีรี่ส์ 7400ในปี 1966 [ 10 ]ในประวัติศาสตร์ปากเปล่าในภายหลัง Tom Longo กล่าวว่าการใช้งานซีรี่ส์ 54 ในช่วงแรกของ Texas Instruments นั้นเป็นไปตามโครงสร้างวงจรที่เขาได้อธิบายไว้ต่อสาธารณะในปี 1963 อย่างใกล้ชิด ในขณะที่สร้างความแตกต่างให้กับผลิตภัณฑ์โดยการย้ายขาจ่ายไฟไปยังมุมของแพ็คเกจ พร้อมกับการบรรจุภัณฑ์ การลดต้นทุน และขนาดการผลิต[ 11 ]ตระกูล Texas Instruments 7400 กลายเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมโดยพฤตินัย ชิ้นส่วนที่เข้ากันได้ถูกผลิตโดยบริษัทเซมิคอนดักเตอร์จำนวนมาก รวมถึงMotorola , AMD , Fairchild, Intel , National Semiconductor , Signetics , Siemensและอื่นๆ[ 12 ] [ 13 ]รวมถึงผู้ผลิตในกลุ่มประเทศตะวันออก (สหภาพโซเวียต, GDR, โปแลนด์, เชโกสโลวาเกีย, ฮังการี และโรมาเนีย) นอกเหนือจากการใช้งานแบบไบโพลาร์แล้ว ต่อมายังมีการผลิตชิ้นส่วนซีรีส์ 7400 ที่เข้ากันได้โดยใช้เทคโนโลยีวงจรอื่นๆ อย่างน้อยผู้ผลิตรายใหญ่รายหนึ่งคือIBMได้ผลิตวงจร TTL ที่ไม่เข้ากันได้สำหรับการใช้งานภายใน IBM ใช้เทคโนโลยี TTL ในระบบต่างๆ เช่นIBM System/38 , IBM 4300และIBM 3081 [ 14 ]
คำว่า "TTL" ถูกนำมาใช้กับวงจรลอจิกแบบไบโพลาร์ หลายรุ่นที่พัฒนาต่อเนื่องกัน โดยมีการปรับปรุงความเร็วและการใช้พลังงานอย่างค่อยเป็นค่อยไปตลอดระยะเวลาประมาณสองทศวรรษ ตระกูล 74Fxx ที่เปิดตัวล่าสุดยังคงวางจำหน่ายอยู่ในปัจจุบัน (ณ ปี 2019) และถูกใช้งานอย่างแพร่หลายจนถึงปลายทศวรรษที่ 90 74AS/ALS Advanced Schottky เปิดตัวในปี 1985 [ 15 ]ณ ปี 2008 Texas Instruments ยังคงจัดหาชิปอเนกประสงค์ในตระกูลเทคโนโลยีที่ล้าสมัยจำนวนมาก แม้ว่าจะมีราคาสูงขึ้นก็ตาม โดยทั่วไปแล้ว ชิป TTL จะรวมทรานซิสเตอร์ไม่เกินสองสามร้อยตัวต่อชิป ฟังก์ชันภายในแพ็คเกจเดียวโดยทั่วไปมีตั้งแต่เกตลอจิก ไม่กี่ตัวไปจนถึง บิตสไลซ์ของไมโครโปรเซสเซอร์TTL ยังมีความสำคัญเนื่องจากต้นทุนต่ำทำให้เทคนิคดิจิทัลมีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจสำหรับงานที่เคยทำโดยวิธีการอนาล็อกมาก่อน[ 16 ]
Kenbak -1ซึ่งเป็นบรรพบุรุษของคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลเครื่อง แรก ใช้ TTL สำหรับCPUแทนที่จะใช้ ชิป ไมโครโปรเซสเซอร์ซึ่งไม่มีใช้ในปี 1971 [ 17 ] Datapoint 2200จากปี 1970 ใช้ส่วนประกอบ TTL สำหรับ CPU และเป็นพื้นฐานสำหรับชุดคำสั่ง8008และต่อมา คือ x86 [ 18 ] เวิร์กสเตชัน Xerox Altoปี 1973 และStar ปี 1981 ซึ่งแนะนำ อิน เทอร์เฟซผู้ใช้แบบกราฟิกใช้วงจร TTL ที่รวมอยู่ในระดับหน่วยคำนวณตรรกะ (ALU) และบิตสไลซ์ ตามลำดับ คอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่ใช้ " ตรรกะเชื่อมต่อ " ที่เข้ากันได้กับ TTL ระหว่างชิปขนาดใหญ่ไปจนถึงช่วงปี 1990 จนกระทั่งการมาถึงของตรรกะที่ตั้งโปรแกรมได้ตรรกะไบโพลาร์แบบแยกส่วนถูกใช้เพื่อสร้างต้นแบบและจำลองสถาปัตยกรรมไมโครที่อยู่ระหว่างการพัฒนา
การดำเนินการ
เกต TTL พื้นฐาน

เกต TTL พื้นฐานเป็นโครงสร้าง NAND ที่ใช้ ทรานซิสเตอร์อินพุต แบบหลายตัวปล่อยตามด้วยขั้นตอนการขยายสัญญาณหนึ่งขั้นตอนขึ้นไป[ 3 ] [ 19 ]ในเกต NAND TTL สองอินพุต อินพุตแต่ละตัวจะสอดคล้องกับตัวปล่อยตัวหนึ่งของทรานซิสเตอร์แบบหลายตัวปล่อย VT1 เอาต์พุตจะถูกรับจากตัวเก็บของทรานซิสเตอร์ VT2 ที่ตามมา
อินพุตทั้งหมดเป็นค่าสูง (ลอจิก 1) เมื่ออินพุตทั้งสองเป็นค่าสูง จุดเชื่อมต่อระหว่างตัวปล่อยและฐานของ VT1 จะถูกไบแอสแบบย้อนกลับ VT1 ทำงานใน โหมดแอคทีฟแบบ ย้อนกลับตัวต้านทานไบแอสจ่ายกระแสเข้าสู่ฐานของ VT1 เนื่องจากอัตราขยายกระแสย้อนกลับของ VT1 มีค่าน้อย กระแสจึงไหลผ่านตัวปล่อยเพียงเล็กน้อย ดังนั้น กระแสฐานของ VT1 จึงไหลออกผ่านตัวเก็บเกือบทั้งหมด กระแสตัวเก็บนี้จะกลายเป็นกระแสฐานของ VT2 ทำให้ VT2 ทำงานและบังคับให้เอาต์พุตเป็นค่าต่ำ (ลอจิก 0)
อินพุตหนึ่งมีค่าต่ำ (ลอจิก 0) หากอินพุตใดอินพุตหนึ่งมีค่าต่ำ รอยต่อระหว่างตัวส่งและฐานของ VT1 ที่เกี่ยวข้องจะได้รับไบแอสไปข้างหน้า จากนั้น VT1 จะทำงานในโหมดแอคทีฟปกติ และกระแสฐานจะถูกส่งผ่านอินพุตที่มีค่าต่ำแทนที่จะผ่านตัวเก็บ เมื่อมีกระแสตัวเก็บน้อยหรือไม่มีเลยที่จะขับ VT2 ทรานซิสเตอร์ VT2 จะปิด และเอาต์พุตจะเพิ่มขึ้นเป็นระดับสูง (ลอจิก 1)
ต่างจากลอจิกไดโอด-ทรานซิสเตอร์ (DTL) ซึ่งเครือข่ายอินพุตประกอบด้วยไดโอดเท่านั้น ทรานซิสเตอร์อินพุต TTL VT1 มีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในการสวิตช์ ในระหว่างการเปลี่ยนสถานะ VT1 สามารถกำจัดประจุที่เก็บไว้จาก VT2 ลดเวลาในการเก็บประจุ และส่งผลให้ความเร็วในการสวิตช์ของ TTL สูงกว่า DTL [ 19 ]
ข้อเสียหลักของ TTL ที่มีวงจรเอาต์พุตแบบง่ายคือ ความต้านทานเอาต์พุตที่ค่อนข้างสูงที่ระดับลอจิก "1"ซึ่งถูกกำหนดโดยตัวต้านทานคอลเลคเตอร์เอาต์พุตเท่านั้น ทำให้จำกัดจำนวนอินพุตที่สามารถเชื่อมต่อได้ ( แฟนเอาต์ ) ข้อดีบางประการของวงจรเอาต์พุตแบบง่ายคือ ระดับแรงดันไฟฟ้าสูง (สูงถึง VCC ของเอาต์พุตลอจิก "1" เมื่อเอาต์พุตไม่มีโหลด
ลอจิกแบบ Open Collector ต่อสาย
รูปแบบทั่วไปอย่างหนึ่งคือการละเว้นตัวต้านทานคอลเลคเตอร์ของทรานซิสเตอร์เอาต์พุต ทำให้เกิด เอาต์พุต แบบโอเพ่นคอลเลคเตอร์ซึ่งช่วยให้นักออกแบบสามารถสร้างลอจิกแบบมีสายได้โดยการเชื่อมต่อเอาต์พุตโอเพ่นคอลเลคเตอร์ของเกตลอจิกหลายตัวเข้าด้วยกันและจัดหาตัวต้านทานพูลอัพ ภายนอกเพียงตัวเดียว หากเกตลอจิกใดๆ กลายเป็นลอจิกต่ำ (ทรานซิสเตอร์นำกระแส) เอาต์พุตรวมก็จะต่ำ ตัวอย่างของเกตประเภทนี้คือซีรี่ส์ 7401 [ 20 ]และ 7403 [ 21 ]เอาต์พุตโอเพ่นคอลเลคเตอร์ของเกตบางตัวมีแรงดันสูงสุดที่สูงกว่า เช่น 15 V สำหรับ 7426 [ 22 ]ซึ่งมีประโยชน์เมื่อขับโหลดที่ไม่ใช่ TTL

การใช้งาน And-Or-Invert (AOI) ใน TTL (ตัวอย่าง 7450)
ตระกูล TTL ยังรวมถึงเกตที่ซับซ้อนซึ่งใช้งานโดยตรงในรูปแบบทรานซิสเตอร์แทนที่จะใช้การเรียงซ้อนเกตที่ง่ายกว่า ตัวอย่างเช่น เกต AND-OR-INVERT (AOI) แบบ 2 อินพุตคู่ 7450 [ 23 ] [ 24 ]แต่ละเทอมผลคูณถูกสร้างขึ้นโดยทรานซิสเตอร์อินพุตแบบอีมิเตอร์หลายตัว ใน 7450 ทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่งใช้งานเทอม A·B และอีกตัวหนึ่งใช้งาน C·D แต่ละตัวขับทรานซิสเตอร์ตัวแยกเฟสของตัวเอง ตัวเก็บประจุของทรานซิสเตอร์ตัวแยกเฟสเชื่อมต่อกัน และตัวปล่อยของพวกมันก็เชื่อมต่อกันเช่นกัน โหนดร่วมเหล่านี้ทำหน้าที่ OR: หากเทอมผลคูณใดเทอมหนึ่งถูกยืนยัน ตัวแยกเฟสที่เกี่ยวข้องจะนำกระแสและบังคับให้โหนดร่วมเปลี่ยนสถานะ ขั้นตอนเอาต์พุตจะกลับผลลัพธ์นี้ ทำให้ได้
โครงสร้างประเภทนี้เป็นพื้นฐานในการออกแบบตรรกะดิจิทัล เนื่องจากฟังก์ชันเชิงผสมจำนวนมากสามารถแสดงออกมาในรูปผลรวมของผลคูณได้ตามธรรมชาติ การนำฟังก์ชัน AND-OR-INVERT มาใช้โดยตรงจะช่วยลดจำนวนเกตและเวลาหน่วงการแพร่กระจายเมื่อเทียบกับการเรียงต่อกันของขั้นตอน NAND และ NOR ที่แยกจากกัน และเกตที่ซับซ้อนดังกล่าวกลายเป็นส่วนประกอบพื้นฐานทั่วไปในตระกูลตรรกะ MSI [ 25 ]
วงจรเอาต์พุตแบบเสาโทเทม
ในตระกูล TTL มาตรฐาน วงจรแยกเฟสจะขับเอาต์พุตแบบโทเทมโพล (พุช-พูล) ซึ่งประกอบด้วยทรานซิสเตอร์พูลดาวน์แบบแอคทีฟและทรานซิสเตอร์พูลอัพแบบอีมิเตอร์ฟอลโลเวอร์ พร้อมด้วยไดโอดควบคุมที่จำกัดการนำไฟฟ้าพร้อมกันในระหว่างการสวิตช์ เมื่อทรานซิสเตอร์พูลดาวน์ถูกขับจนอิ่มตัว เอาต์พุตจะต่ำ เมื่อถูกตัดออก ทรานซิสเตอร์ตัวบนจะทำงานเป็นอีมิเตอร์ฟอลโลเวอร์ ทำให้ได้ระดับเอาต์พุตสูงที่อิมพีแดนซ์ต่ำ ไดโอด D1 และตัวต้านทานอนุกรม R4 จะจำกัดกระแสชั่วขณะในระหว่างการสวิตช์และลดกระแสช็อตทรูระหว่างรางจ่ายไฟ[ 26 ]
ข้อเสียอย่างหนึ่งของวงจรเอาต์พุตแบบ "โทเทมโพล" คือระดับแรงดันไฟฟ้าที่ลดลง (โดยทั่วไป 3.5 V) ของสัญญาณลอจิก "1" ที่เอาต์พุต (แม้ว่าจะไม่มีโหลดที่เอาต์พุตก็ตาม) สาเหตุของการลดลงนี้เกิดจากแรงดันตกคร่อมระหว่างฐาน-อีมิเตอร์ของ Q5 และรอยต่อแอโนด-แคโทดของ D1
ข้อควรพิจารณาในการเชื่อมต่อ
เช่นเดียวกับ DTL, TTL เป็นลอจิกแบบดึงกระแสเนื่องจากต้องดึงกระแสจากอินพุตเพื่อให้ระดับแรงดันไฟฟ้าเป็นลอจิก 0 วงจรขับต้องดูดซับกระแสได้ถึง 1.6 mA จากอินพุต TTL มาตรฐานโดยที่แรงดันไฟฟ้าต้องไม่เกิน 0.4 โวลต์[ 27 ]วงจรเอาต์พุตของเกต TTL ทั่วไปส่วนใหญ่ถูกกำหนดให้ทำงานได้อย่างถูกต้องเมื่อขับอินพุตมาตรฐานได้ถึง 10 วงจร (fanout 10) บางครั้งอินพุต TTL จะถูกปล่อยให้ลอยเพื่อให้ได้ลอจิก "1" แม้ว่าการใช้งานแบบนี้จะไม่แนะนำก็ตาม[ 28 ]
วงจร TTL มาตรฐานทำงานด้วยแหล่งจ่ายไฟ 5 โวลต์สัญญาณอินพุต TTL ถูกกำหนดให้เป็น "ต่ำ" เมื่ออยู่ระหว่าง 0 V และ 0.8 V เมื่อเทียบกับขั้วกราวด์ และ "สูง" เมื่ออยู่ระหว่าง 2 V และ V (5 V) [ 29 ] [ 30 ]และหากส่งสัญญาณแรงดันไฟฟ้าในช่วงระหว่าง 0.8 V และ 2.0 V เข้าไปในอินพุตของเกต TTL จะไม่มีการตอบสนองที่แน่นอนจากเกต ดังนั้นจึงถือว่า "ไม่แน่นอน" (ระดับตรรกะที่แม่นยำจะแตกต่างกันเล็กน้อยระหว่างชนิดย่อยและตามอุณหภูมิ) เอาต์พุต TTL โดยทั่วไปจะถูกจำกัดไว้ที่ขอบเขตที่แคบกว่าระหว่าง 0.0 V และ 0.4 V สำหรับ "ต่ำ" และระหว่าง 2.4 V และ V สัญญาณรบกวนอย่างน้อย 0.4 V การกำหนดมาตรฐานของระดับ TTL นั้นแพร่หลายมากจนแผงวงจรที่ซับซ้อนมักมีชิป TTL ที่ผลิตโดยผู้ผลิตหลายรายที่ได้รับการคัดเลือกตามความพร้อมใช้งานและต้นทุน โดยรับประกันความเข้ากันได้ แผงวงจรสองชุดที่ผลิตจากสายการผลิตเดียวกันในวันหรือสัปดาห์ที่ต่อเนื่องกัน อาจมีส่วนผสมของยี่ห้อชิปที่แตกต่างกันในตำแหน่งเดียวกันบนแผงวงจร การซ่อมแซมสามารถทำได้โดยใช้ชิปที่ผลิตขึ้นหลายปีหลังจากส่วนประกอบดั้งเดิม ภายในขอบเขตที่กว้างพอสมควร วงจรลอจิกเกตสามารถถือได้ว่าเป็นอุปกรณ์บูลีนในอุดมคติโดยไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับข้อจำกัดทางไฟฟ้าค่าขอบเขตสัญญาณรบกวน 0.4 V นั้นเพียงพอเนื่องจากอิมพีแดนซ์เอาต์พุตต่ำของวงจรขับ นั่นคือ ต้องใช้พลังงานสัญญาณรบกวนจำนวนมากที่ซ้อนทับอยู่บนเอาต์พุตเพื่อขับอินพุตไปยังบริเวณที่ไม่กำหนด
ในบางกรณี (เช่น เมื่อจำเป็นต้องใช้เอาต์พุตของเกตตรรกะ TTL เพื่อขับอินพุตของเกต CMOS) ระดับแรงดันของสเตจเอาต์พุต "totem-pole" ที่เอาต์พุตตรรกะ "1" สามารถเพิ่มขึ้นให้ใกล้เคียงกับ V โดยการเชื่อมต่อตัวต้านทานภายนอกระหว่างตัวเก็บประจุ V4 และรางบวก ซึ่งจะดึง แคโทด V5 ขึ้น และตัดไดโอด[ 31 ]อย่างไรก็ตาม เทคนิคนี้จะเปลี่ยนเอาต์พุต "totem-pole" ที่ซับซ้อนให้กลายเป็นสเตจเอาต์พุตแบบง่ายที่มีความต้านทานเอาต์พุตสูงเมื่อขับระดับสูง (กำหนดโดยตัวต้านทานภายนอก)
บรรจุภัณฑ์
เช่นเดียวกับวงจรรวมส่วนใหญ่ในช่วงปี 1963–1990 อุปกรณ์ TTL เชิงพาณิชย์มักจะบรรจุในแพ็คเกจแบบอินไลน์คู่ (DIP) ซึ่งโดยทั่วไปจะมี 14 ถึง 24 ขา[ 32 ]สำหรับ การติดตั้ง แบบรูทะลุหรือซ็อกเก็ต แพ็คเกจพลาสติกอีพ็อกซี (PDIP) มักใช้สำหรับส่วนประกอบช่วงอุณหภูมิเชิงพาณิชย์ ในขณะที่แพ็คเกจเซรามิก (CDIP) ใช้สำหรับชิ้นส่วนช่วงอุณหภูมิทางทหาร
ชิปแบบไม่มีแพ็คเกจที่มีขาต่อแบบลำแสงถูกผลิตขึ้นเพื่อประกอบเป็นอาร์เรย์ขนาดใหญ่ขึ้นในรูปแบบวงจรรวมแบบไฮบริด ชิ้นส่วนสำหรับงานด้านการทหารและอวกาศถูกบรรจุใน แพ็คเกจแบบแผ่นเรียบซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของแพ็คเกจแบบติดตั้งบนพื้นผิว โดยมีขาต่อที่เหมาะสมสำหรับการเชื่อมหรือบัดกรีกับแผ่นวงจรพิมพ์ ปัจจุบันอุปกรณ์ที่เข้ากันได้กับ TTL จำนวนมากมีจำหน่ายในแพ็คเกจแบบติดตั้งบนพื้นผิว ซึ่งมีให้เลือกหลากหลายประเภทมากกว่าแพ็คเกจแบบเจาะรู
TTL เหมาะอย่างยิ่งสำหรับวงจรรวมแบบไบโพลาร์ เนื่องจากอินพุตเพิ่มเติมไปยังเกตนั้นต้องการเพียงแค่ตัวปล่อยประจุเพิ่มเติมบนบริเวณฐานร่วมของทรานซิสเตอร์อินพุตเท่านั้น หากใช้ทรานซิสเตอร์แบบบรรจุภัณฑ์แยกชิ้น ต้นทุนของทรานซิสเตอร์ทั้งหมดจะทำให้ไม่คุ้มค่าที่จะใช้โครงสร้างอินพุตแบบนี้ แต่ในวงจรรวม ตัวปล่อยประจุเพิ่มเติมสำหรับอินพุตเกตพิเศษนั้นเพิ่มพื้นที่เพียงเล็กน้อยเท่านั้น
อย่างน้อยหนึ่งผู้ผลิตคอมพิวเตอร์ IBM ได้สร้าง วงจรรวม ฟลิปชิป ของตนเอง ด้วย TTL โดยชิปเหล่านี้ถูกติดตั้งบนโมดูลมัลติชิปเซรามิก[ 33 ] [ 34 ]
การเปรียบเทียบกับตระกูลตรรกะอื่นๆ
อุปกรณ์ TTL ใช้พลังงานมากกว่า อุปกรณ์ CMOS ที่เทียบเท่ากันอย่างมาก ในสภาวะหยุดนิ่ง แต่การใช้พลังงานจะไม่เพิ่มขึ้นตามความเร็วสัญญาณนาฬิกาอย่างรวดเร็วเท่ากับอุปกรณ์ CMOS [ 35 ] เมื่อเทียบกับ วงจร ECL ในปัจจุบัน TTL ใช้พลังงานน้อยกว่าและมีกฎการออกแบบที่ง่ายกว่า แต่ช้ากว่ามาก นักออกแบบสามารถรวมอุปกรณ์ ECL และ TTL เข้าด้วยกันในระบบเดียวกันเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพและความประหยัดโดยรวมที่ดีที่สุด แต่จำเป็นต้องมีอุปกรณ์เปลี่ยนระดับระหว่างตระกูลลอจิกทั้งสอง TTL มีความไวต่อความเสียหายจากการปล่อยประจุไฟฟ้า สถิตน้อย กว่าอุปกรณ์ CMOS รุ่นแรกๆ
เนื่องจากโครงสร้างเอาต์พุตของอุปกรณ์ TTL ความต้านทานเอาต์พุตจึงไม่สมมาตรระหว่างสถานะสูงและต่ำ ทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับการขับเคลื่อนสายส่งสัญญาณ ข้อเสียนี้มักแก้ไขได้โดยการบัฟเฟอร์เอาต์พุตด้วยอุปกรณ์ขับสายสัญญาณพิเศษในกรณีที่จำเป็นต้องส่งสัญญาณผ่านสายเคเบิล ส่วน ECL นั้นไม่มีข้อเสียนี้ เนื่องจากมีโครงสร้างเอาต์พุตความต้านทานต่ำแบบสมมาตร
โครงสร้างเอาต์พุตแบบ "เสาโทเทม" ของ TTL มักมีการทับซ้อนกันชั่วขณะเมื่อทรานซิสเตอร์ทั้งตัวบนและตัวล่างทำงาน ทำให้เกิดพัลส์กระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่ดึงมาจากแหล่งจ่ายไฟ พัลส์เหล่านี้สามารถเชื่อมต่อกันในลักษณะที่ไม่คาดคิดระหว่างแพ็คเกจไอซีหลายตัว ส่งผลให้ขอบเขตสัญญาณรบกวนลดลงและประสิทธิภาพต่ำลง ระบบ TTL มักจะมีตัวเก็บประจุแยกสัญญาณสำหรับทุกๆ หนึ่งหรือสองตัวของแพ็คเกจไอซี เพื่อป้องกันไม่ให้พัลส์กระแสไฟฟ้าจากชิป TTL ตัวหนึ่งลดแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไปยังอีกตัวหนึ่งชั่วขณะ
ตั้งแต่ช่วงกลางทศวรรษ 1980 ผู้ผลิตหลายรายได้จัดหาวงจรลอจิก CMOS ที่เทียบเท่ากับ TTL โดยมีระดับอินพุตและเอาต์พุตที่เข้ากันได้กับ TTL โดยปกติจะมีหมายเลขชิ้นส่วนที่คล้ายกับชิ้นส่วน TTL ที่เทียบเท่ากันและมีรูปแบบขา เดียวกัน ตัวอย่างเช่น ซีรี่ส์ 74HCT00 มีชิ้นส่วนทดแทนที่สามารถใช้แทน ชิ้นส่วน ซีรี่ส์ 7400 แบบไบโพลาร์ได้หลายชิ้น แต่ใช้ เทคโนโลยี CMOS (ตัว "T" ใน "HCT" ย่อมาจาก "TTL-compatible" ซีรี่ส์ 74HC00 ที่เกี่ยวข้องก็ใช้เทคโนโลยี CMOS เช่นกัน แต่ไม่เข้ากันได้กับ TTL)
ประเภทย่อย
เทคโนโลยีรุ่นต่อๆ มาได้ผลิตชิ้นส่วนที่เข้ากันได้ซึ่งมีการใช้พลังงานหรือความเร็วในการสลับที่ดีขึ้น หรือทั้งสองอย่าง แม้ว่าผู้ขายจะทำการตลาดผลิตภัณฑ์ต่างๆ เหล่านี้ในชื่อ TTL ที่มีไดโอด Schottky อย่างสม่ำเสมอ แต่วงจรพื้นฐานบางส่วน เช่นที่ใช้ในตระกูล LS อาจถือได้ว่าเป็นDTL มากกว่า[ 36 ]
วงจรขยายสัญญาณแบบต่างๆ และวงจรขยายสัญญาณที่พัฒนาต่อยอดจากวงจรขยายสัญญาณ TTL พื้นฐาน ซึ่งโดยทั่วไปมีเวลาหน่วงในการส่งสัญญาณที่เกตประมาณ 10 นาโนวินาที และมีการใช้พลังงาน 10 มิลลิวัตต์ต่อเกต สำหรับผลคูณของพลังงานและเวลาหน่วง (PDP) หรือพลังงานในการสวิตช์ประมาณ 100 พิโคจูลได้แก่:
- วงจร TTL พลังงานต่ำ (L) ซึ่งแลกเปลี่ยนความเร็วในการสลับสัญญาณ (33 นาโนวินาที) กับการลดการใช้พลังงาน (1 มิลลิวัตต์) (ปัจจุบันถูกแทนที่ด้วย วงจร CMOS แล้ว )
- TTL ความเร็วสูง (H) สลับการทำงานได้เร็วกว่า TTL มาตรฐาน (6 นาโนวินาที) แต่ใช้พลังงานสูงกว่ามาก (22 มิลลิวัตต์)
- TTL แบบ Schottky (S) ซึ่งเปิดตัวในปี 1969 ใช้ ได โอด Schottkyเป็นตัวหนีบที่อินพุตของเกตเพื่อป้องกันการสะสมประจุและปรับปรุงเวลาในการสวิตช์ เกตเหล่านี้ทำงานได้เร็วขึ้น (3 นาโนวินาที) แต่มีการสูญเสียพลังงานสูงกว่า (19 มิลลิวัตต์)
- TTL แบบ Schottky กำลังต่ำ (LS) – ใช้ค่าความต้านทานสูงของ TTL กำลังต่ำและไดโอด Schottky เพื่อให้ได้การผสมผสานที่ดีระหว่างความเร็ว (9.5 นาโนวินาที) และการใช้พลังงานที่ลดลง (2 มิลลิวัตต์) และ PDP ประมาณ 20 พิโคจูล น่าจะเป็น TTL ประเภทที่พบได้บ่อยที่สุด โดยถูกนำมาใช้เป็นลอจิกเชื่อมต่อในไมโครคอมพิวเตอร์ โดยพื้นฐานแล้วเป็นการแทนที่ตระกูลย่อย H, L และ S เดิม
- LS เป็นรูปแบบ Fast (F) และ Advanced-Schottky (AS) จาก Fairchild และ TI ตามลำดับ ในช่วงประมาณปี 1985 โดยมีวงจร " Miller -killer" เพื่อเร่งความเร็วในการเปลี่ยนจากแรงดันต่ำไปสูง ตระกูลเหล่านี้มีค่า PDP 10 pJ และ 4 pJ ตามลำดับ ซึ่งต่ำที่สุดในบรรดาตระกูล TTL ทั้งหมด
- TTL แรงดันต่ำ (LVTTL) สำหรับแหล่งจ่ายไฟ 3.3 โวลต์และการเชื่อมต่อหน่วยความจำ ซึ่งเป็นระดับแรงดันที่เข้ากันได้กับLVCMOS
ผู้ผลิตส่วนใหญ่เสนอช่วงอุณหภูมิใช้งานเชิงพาณิชย์และช่วงอุณหภูมิที่กว้างขึ้น ตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วน ซีรีส์ 7400 ของ Texas Instruments มีช่วงอุณหภูมิใช้งานตั้งแต่ 0 ถึง 70 °C และอุปกรณ์ซีรีส์ 5400 มีช่วงอุณหภูมิใช้งานตามมาตรฐานทางทหารตั้งแต่ −55 ถึง +125 °C
มีชิ้นส่วนคุณภาพพิเศษและความน่าเชื่อถือสูงสำหรับงานด้านการทหารและอวกาศ
อุปกรณ์ ที่ทนทานต่อรังสี (ตัวอย่างเช่น จากซีรีส์ SNJ54) มีให้เลือกใช้สำหรับการใช้งานในอวกาศ
แอปพลิเคชัน
ก่อนการมาถึงของ อุปกรณ์ VLSIวงจรรวม TTL เป็นวิธีการสร้างมาตรฐานสำหรับโปรเซสเซอร์ของมินิคอมพิวเตอร์และเมนเฟรม ระดับกลาง เช่นDEC VAXและData General Eclipseอย่างไรก็ตาม คอมพิวเตอร์บางตระกูลใช้ส่วนประกอบที่เป็นกรรมสิทธิ์ (เช่น Fairchild CTL) ในขณะที่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์และเมนเฟรมระดับสูงใช้ตรรกะแบบอีมิเตอร์คัปปลิ้ ง นอกจากนี้ยังใช้สำหรับอุปกรณ์ต่างๆ เช่น เครื่องมือกลควบคุมเชิงตัวเลข เครื่องพิมพ์ และเทอร์มินัลแสดงผลวิดีโอ และเมื่อไมโครโปรเซสเซอร์มีฟังก์ชันการทำงานมากขึ้น ก็ใช้สำหรับแอปพลิเคชัน "ตรรกะเชื่อมต่อ" เช่น ตัวถอดรหัสที่อยู่และไดรเวอร์บัส ซึ่งเชื่อมโยงบล็อกฟังก์ชันที่สร้างขึ้นในองค์ประกอบ VLSI เข้าด้วยกันGigatron TTLเป็นตัวอย่างล่าสุด (ปี 2018) ของโปรเซสเซอร์ที่สร้างขึ้นด้วยวงจรรวม TTL ทั้งหมด
การใช้งานแบบอนาล็อก
แม้ว่าเดิมทีจะได้รับการออกแบบมาเพื่อจัดการกับสัญญาณดิจิทัลระดับลอจิก แต่อินเวอร์เตอร์ TTL สามารถไบแอสเป็นแอมพลิฟายเออร์อนาล็อกได้ การเชื่อมต่อตัวต้านทานระหว่างเอาต์พุตและอินพุตจะไบแอสองค์ประกอบ TTL เป็นแอมพลิฟายเออร์ป้อนกลับเชิงลบ แอมพลิฟายเออร์ดังกล่าวอาจมีประโยชน์ในการแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นโดเมนดิจิทัล แต่โดยปกติจะไม่ใช้ในกรณีที่การขยายสัญญาณอนาล็อกเป็นจุดประสงค์หลัก[ 37 ]อินเวอร์เตอร์ TTL ยังสามารถใช้ในออสซิลเลเตอร์คริสตัลซึ่งความสามารถในการขยายสัญญาณอนาล็อกมีความสำคัญ
วงจร TTL อาจทำงานโดยไม่ได้ตั้งใจเป็นวงจรขยายสัญญาณอนาล็อก หากต่อสัญญาณอินพุตที่เปลี่ยนแปลงช้าๆ ซึ่งอยู่ในช่วงที่ไม่ระบุแน่ชัดตั้งแต่ 0.8 V ถึง 2 V สัญญาณเอาต์พุตอาจไม่เสถียรเมื่อสัญญาณอินพุตอยู่ในช่วงนี้ สัญญาณอินพุตที่เปลี่ยนแปลงช้าๆ เช่นนี้ ยังอาจทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานมากเกินไปในวงจรเอาต์พุต หากจำเป็นต้องใช้สัญญาณอินพุตอนาล็อกดังกล่าว จะมีชิ้นส่วน TTL พิเศษที่มี อินพุต แบบ Schmitt triggerให้เลือกใช้ ซึ่งจะแปลงสัญญาณอินพุตอนาล็อกเป็นค่าดิจิทัลได้อย่างน่าเชื่อถือ โดยทำงานเสมือนเป็นตัวแปลง A เป็น D แบบหนึ่งบิต
การส่งสัญญาณแบบอนุกรม
TTL serialหมายถึงการสื่อสารแบบอนุกรมปลายเดียว โดยใช้ระดับแรงดันไฟฟ้าของทรานซิสเตอร์แบบดิบ: "ต่ำ" สำหรับ 0 และ "สูง" สำหรับ 1 [ 38 ] UARTผ่าน TTL serial เป็นอินเทอร์เฟซการดีบักทั่วไปสำหรับอุปกรณ์ฝังตัว อุปกรณ์พกพา เช่น เครื่องคิดเลขกราฟิกและ เครื่องรับ GPSและเครื่องหาปลาที่สอดคล้อง กับ NMEA 0183ก็มักใช้ UART กับ TTL เช่นกัน TTL serial เป็นเพียง มาตรฐาน โดยพฤตินัย เท่านั้น ไม่มีแนวทางทางไฟฟ้าที่เข้มงวด โมดูลไดรเวอร์-ตัวรับจะเชื่อมต่อระหว่าง TTL และมาตรฐานอนุกรมระยะไกล ตัวอย่างหนึ่งคือMAX232ซึ่งแปลงจากและเป็นRS- 232 [ 39 ]
TTL แบบดิฟเฟอเรนเชียลคือ TTL แบบอนุกรมที่ส่งผ่านคู่ดิฟเฟอเรนเชียลที่มีระดับเสริม ซึ่งให้ความทนทานต่อสัญญาณรบกวนที่ดีขึ้นมาก ทั้ง สัญญาณ RS-422และRS-485สามารถสร้างได้โดยใช้ระดับ TTL [ 40 ]
ccTalkใช้ระดับแรงดันไฟฟ้า TTL เป็นพื้นฐาน
ดูเพิ่มเติม
อ่านเพิ่มเติม
- บทเรียนเกี่ยวกับวงจรไฟฟ้า - เล่ม 4 - ดิจิทัล ; โทนี่ คูฟาลด์ท; โครงการหนังสือเปิด; 508 หน้า; 2007. (บทที่ 3 ประตูตรรกะ)
ลิงก์ภายนอก
- บริษัท แฟร์ไชลด์ เซมิคอนดักเตอร์. บทนำและการเปรียบเทียบตรรกะ CMOS ที่เข้ากันได้กับ TTL 74HCT (เอกสารประกอบการใช้งานหมายเลข 368). 1984. (สำหรับความไวต่อ ESD สัมพัทธ์ของ TTL และ CMOS)
- เอกสารแนะนำการใช้งานตระกูลลอจิกของ Texas Instruments