¿Qué es la lógica de transistores de transistores (TTL) y su funcionamiento?

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Las puertas lógicas como NAND, NOR se utilizan en aplicaciones diarias para realizar operaciones lógicas. Las puertas se fabrican con dispositivos semiconductores como BJT, diodos o FET. Las diferentes puertas se construyen utilizando circuitos integrados. Los circuitos lógicos digitales se fabrican según la tecnología de circuito o familias lógicas específicas. Las diferentes familias lógicas son RTL (Lógica de transistor de resistencia), DTL (Lógica de transistor de diodo), TTL (Lógica de transistor-transistor), ECL (Lógica acoplada de emisor) y CMOS (Lógica de semiconductor de óxido metálico complementario). De estos, RTL y DTL rara vez se utilizan. Este artículo analiza una descripción general de un Lógica transistor-transistor o TTL .

Historia de la lógica transistor-transistor

La lógica TTL o Transistor-Transistor Logic fue inventada en el año 1961 por “James L. Buie de TRW”. Es adecuado para desarrollar nuevos circuitos integrados. El nombre real de este TTL es TCTL, que significa lógica de transistor acoplado a transistor. En 1963, los primeros dispositivos TTL comerciales de fabricación fueron diseñados por 'Sylvania' conocido como SUHL o la 'familia Sylvania Universal High-Level Logic'.




Después de que los ingenieros de instrumentos de Texas lanzaran los circuitos integrados de la serie 5400 en el año 1964 con el rango de temperatura militar, la lógica transistor-transistor se hizo muy popular. Después de eso, la serie 7400 se lanzó a través de un rango más estrecho en el año 1966.

Las partes compatibles de las familias 7400 lanzadas por los instrumentos de Texas fueron diseñadas por varias empresas como National Semiconductor, AMD, Motorola, Intel, Fairchild, Signetics, Intersil, Mullard, SGS-Thomson, Siemens, Rifa, etc. empresa como IBM se puso en marcha circuitos no compatibles utilizando TTL para su propio uso.



La lógica transistor-transistor se aplicó a muchas generaciones de lógica bipolar mejorando lentamente la velocidad y la utilización de energía durante aproximadamente dos décadas. Por lo general, cada chip TTL incluye cientos de transistores. Generalmente, las funciones en un solo paquete van desde puertas lógicas hasta un microprocesador.
La primera PC como Kenbak-1 se utilizó Transistor-Transistor Logic para su CPU como alternativa a un microprocesador. En el año 1970, el Datapoint 2200 se utilizó como componentes TTL y fue la base para el 8008 y después el conjunto de instrucciones x86.

La GUI introducida por Xerox alto en el año 1973 así como las estaciones de trabajo Star en el año 1981 se utilizaron circuitos TTL que se incorporan a nivel de ALU.


¿Qué es la lógica transistor-transistor (TTL)?

La lógica transistor-transistor (TTL) es una familia lógica formada por BJT (transistores de unión bipolar). Como sugiere el nombre, el transistor realiza dos funciones como lógica y amplificación. Los mejores ejemplos de TTL son las puertas lógicas, a saber, la puerta NOR 7402 y la puerta NAND 7400.

La lógica TTL incluye varios transistores que tienen varios emisores y varias entradas. Los tipos de lógica TTL o transistor-transistor incluyen principalmente TTL estándar, TTL rápido, TTL Schottky, TTL de alta potencia, TTL de baja potencia y TTL Schottky avanzado.

El diseño de puertas lógicas TTL se puede realizar con resistencias y BJT. Hay varias variantes de TTL que se desarrollan para diferentes propósitos, como los paquetes TTL endurecidos por radiación para aplicaciones espaciales y los diodos Schottky de baja potencia que pueden proporcionar una excelente combinación de velocidad y menor consumo de energía.

Tipos de lógica transistor-transistor

Los TTL están disponibles en diferentes tipos y su clasificación se realiza en función del resultado como se muestra a continuación.

  • TTL estándar
  • TTL rápido
  • Schottky TTL
  • TTL de alta potencia
  • TTL de baja potencia
  • TTL Schottky avanzado.

El TTL de baja potencia funciona con una velocidad de conmutación de 33 ns para reducir el consumo de energía como 1 mW. En la actualidad, esto se reemplazó a través de la lógica CMOS. TTL de alta velocidad tiene una conmutación más rápida en comparación con TTL normal como 6ns. Sin embargo, tiene una disipación de alta potencia como 22 mW.

Schottky TTL se lanzó en el año 1969 y se utiliza para evitar el almacenamiento de carga para mejorar el tiempo de conmutación mediante el uso de pinzas de diodo Schottky en el terminal de la puerta. Estos terminales de puerta operan en 3ns, sin embargo, incluyen una disipación de alta potencia como 19 mW

TTL de baja potencia utiliza valores de alta resistencia de TTL de baja potencia. Los diodos Schottky proporcionarán una buena combinación de velocidad y una menor utilización de energía como 2 mW. Este es el tipo más general de TTL, utilizado como lógica de pegamento dentro de microcomputadoras, básicamente reemplaza las subfamilias pasadas como L, H y S.

El TTL rápido se utiliza para aumentar la transición de bajo a alto. Estas familias alcanzaron PDP de 4pJ y 10 pJ, correspondientemente. LVTTL o TTL de bajo voltaje para fuentes de alimentación de 3,3 V, así como interfaz de memoria.

La mayoría de los diseñadores ofrecen rangos de temperatura comerciales y extensos. Por ejemplo, el rango de temperatura de las piezas de la serie 7400 de Texas Instruments varía de 0 a 70 ° C, así como el rango de temperatura de la serie 5400 es de -55 a +125 ° C. Las piezas con alta fiabilidad y calidad especial son accesibles para aplicaciones aeroespaciales y militares, mientras que los dispositivos de radiación de la serie SNJ54 se utilizan en aplicaciones espaciales.

Características de TTL

Las características de TTL incluyen las siguientes.

  1. Fan Out: Número de cargas que la salida de un GATE puede conducir sin afectar su rendimiento habitual. Por carga nos referimos a la cantidad de corriente requerida por la entrada de otra puerta conectada a la salida de la puerta dada.
  2. Disipación de potencia: Representa la cantidad de energía que necesita el dispositivo. Se mide en mW. Por lo general, es el producto del voltaje de suministro y la cantidad de corriente promedio consumida cuando la salida es alta o baja.
  3. Retardo de propagación: Representa el tiempo de transición que transcurre cuando cambia el nivel de entrada. El retardo que ocurre para que la salida haga su transición es el retardo de propagación.
  4. Margen de ruido: Representa la cantidad de voltaje de ruido permitida en la entrada, que no afecta la salida estándar.

Clasificación de la lógica transistor-transistor

Es una familia lógica que consta completamente de transistores. Emplea un transistor con múltiples emisores. Comercialmente comienza con la serie 74 como el 7404, 74S86, etc. Fue construido en 1961 por James L Bui y utilizado comercialmente en diseño lógico en 1963. Los TTL se clasifican según la salida.

Salida de colector abierto

La característica principal es que su salida es 0 cuando es baja y flotante cuando es alta. Por lo general, se puede aplicar una Vcc externa.

Salida de colector abierto de la lógica del transistor del transistor

Salida de colector abierto de la lógica transistor-transistor

El transistor Q1 se comporta como un grupo de diodos colocados espalda con espalda. Con cualquiera de las entradas en lógica baja, la unión emisor-base correspondiente está polarizada hacia adelante y la caída de voltaje en la base de Q1 es de alrededor de 0,9 V, no suficiente para que los transistores Q2 y Q3 conduzcan. Por lo tanto, la salida es flotante o Vcc, es decir, nivel alto.

De manera similar, cuando todas las entradas son altas, todas las uniones base-emisor de Q1 tienen polarización inversa y los transistores Q2 y Q3 obtienen suficiente corriente de base y están en modo de saturación. La salida está en lógica baja. (Para que un transistor llegue a la saturación, la corriente del colector debe ser mayor que β veces la corriente de base).

Aplicaciones

Las aplicaciones de salida de colector abierto incluyen las siguientes.

  • En luces de conducción o relés
  • Al realizar lógica cableada
  • En la construcción de un sistema de bus común

Salida de tótem

Totem Pole significa la adición de una activación activa del circuito en la salida de la puerta que resulta en una reducción del retardo de propagación.

Totem Pole Salida TTL

Totem Pole Salida TTL

La operación lógica es la misma que la salida del colector abierto. El uso de los transistores Q4 y el diodo es para proporcionar una carga y descarga rápidas de capacitancia parásita en Q3. La resistencia se utiliza para mantener la corriente de salida a un valor seguro.

Puerta de tres estados

Proporciona una salida de 3 estados como la siguiente

  • Estado de nivel bajo cuando un transistor inferior está encendido y un transistor superior está apagado.
  • Estado de alto nivel cuando el transistor inferior está apagado y el transistor superior está encendido.
  • Tercer estado cuando ambos transistores están apagados. Eso permite una conexión directa por cable de muchas salidas.
Lógica de transistor de transistor de puerta de tres estados

Lógica de transistor-transistor de puerta de tres estados

Características de la familia TTL

Las características de la familia TTL incluyen las siguientes.

  • El nivel lógico bajo está en 0 o 0,2 V.
  • El nivel lógico alto está en 5V.
  • Ventilador típico de 10. Significa que puede soportar como máximo 10 puertas en su salida.
  • Un dispositivo TTL básico consume una potencia de casi 10 mW, que se reduce con el uso de dispositivos Schottky.
  • El retardo de propagación promedio es de aproximadamente 9 ns.
  • El margen de ruido es de aproximadamente 0,4 V.

Serie de TTL IC

La mayoría de los circuitos integrados TTL comienzan con la serie 7. Tiene 6 subfamilias dadas como:

  1. Dispositivo de baja potencia con un retardo de propagación de 35 ns y una disipación de potencia de 1 mW.
  2. Schottky de baja potencia dispositivo con un retraso de 9ns
  3. Dispositivo Schottky avanzado con un retraso de 1,5 ns.
  4. Schottky avanzado de baja potencia dispositivo con un retardo de 4 ns y una disipación de potencia de 1 mW.

En cualquier nomenclatura de dispositivo TTL, los dos primeros nombres indican el nombre de la subfamilia a la que pertenece el dispositivo. Los dos primeros dígitos indican el rango de temperatura de funcionamiento. Los siguientes dos alfabetos indican la subfamilia a la que pertenece el dispositivo. Los dos últimos dígitos indican la función lógica realizada por el chip. Los ejemplos son 74LS02- 2 sin puerta NOR de entrada, 74LS10- Puerta NAND de 3 entradas triples.

Circuitos TTL típicos

Las puertas lógicas se utilizan en la vida diaria en aplicaciones como secadora de ropa, impresora de computadora, timbre de puerta, etc.

Las 3 puertas lógicas básicas implementadas usando lógica TTL se dan a continuación: -

Puerta NOR

Suponga que la entrada A está en un nivel lógico alto, la unión emisor-base del transistor correspondiente tiene polarización inversa y la unión base-colector está polarizada hacia adelante. El transistor Q3 obtiene la corriente base del voltaje de suministro Vcc y llega a la saturación. Como resultado del voltaje de colector bajo de Q3, el transistor Q5 se corta y, por otro lado, si otra entrada es baja, Q4 se corta y, en consecuencia, Q5 se corta y la salida se conecta directamente a tierra a través del transistor Q3 . De manera similar, cuando ambas entradas son lógicamente bajas, la salida estará en lógica alta.

Puerta NOR TTL

Puerta NOR TTL

NO puerta

Cuando la entrada es baja, la unión base-emisor correspondiente está polarizada hacia adelante y la unión base-colector está polarizada hacia atrás. Como resultado, se corta el transistor Q2 y también se corta el transistor Q4. El transistor Q3 se satura y el diodo D2 comienza a conducir y la salida se conecta a Vcc y pasa a lógica alta. De manera similar, cuando la entrada está en lógica alta, la salida está en lógica baja.

NO Puerta TTL

NO Puerta TTL

Comparación TTL con otras familias lógicas

Generalmente, los dispositivos TTL utilizan más energía en comparación con los dispositivos CMOS, pero el uso de energía no mejora a través de la velocidad del reloj para los dispositivos CMOS. En comparación con los circuitos ECL actuales, la lógica transistor-transistor utiliza baja potencia pero tiene reglas de diseño simples pero es significativamente más lenta.

Los fabricantes pueden unir dispositivos TTL y ECL dentro del mismo sistema para lograr el mejor rendimiento, pero los dispositivos como el cambio de nivel son necesarios entre las dos familias lógicas. TTL es poco sensible al daño por descarga electrostática en comparación con los primeros dispositivos CMOS.

Debido a la estructura o / p del dispositivo TTL, la impedancia o / p es asimétrica entre los estados bajo y alto para hacerlos inapropiados para conducir líneas de transmisión. Por lo general, este inconveniente se supera al almacenar en búfer el o / p utilizando dispositivos especiales de controlador de línea donde las señales requieren transmisión a través de cables.

La estructura totem-pole o / p de TTL con frecuencia tiene una superposición rápida una vez que los transistores superior e inferior están conduciendo, lo que da como resultado una señal sustancial de corriente extraída de la fuente de alimentación.

Estas señales pueden conectarse en métodos repentinos entre varios paquetes de IC, lo que resulta en un rendimiento más bajo y un margen de ruido reducido. Generalmente, los sistemas TTL usan un condensador de desacoplamiento para cada uno de lo contrario dos paquetes IC, por lo que una señal de corriente de un chip TTL no disminuye el voltaje de suministro de voltaje a otro momentáneamente.

En la actualidad, muchos diseñadores suministran equivalentes lógicos CMOS a través de niveles i / p & o / p compatibles con TTL a través de números de pieza que están relacionados con el componente TTL correspondiente, incluidos los mismos pines. Así, por ejemplo, la serie 74HCT00 proporcionará varias alternativas para las piezas de la serie bipolar 7400, sin embargo, utiliza tecnología CMOS.

La comparación de TTL con otras familias lógicas en términos de diferentes especificaciones incluye lo siguiente.

Especificaciones TTL CMOS

ECL

Puerta básica

NAND

NOR / NAND

O / NOR

Componentes

Elementos pasivos y transistores

MOSFET

Elementos pasivos y transistores

Fan-out

10

>50

25

Inmunidad al ruido

Fuerte

Demasiado fuerte

Bien

Margen de ruido

Moderar

Alto

Bajo

TPD en ns

1,5 hasta 30

1 hasta 210

1 hasta 4

Frecuencia de reloj en MHz

35

10

>60

Potencia / puerta en mWatt

10

0.0025

40 hasta 55

Figura de mérito

100

0.7

40 hasta 50

Inversor lógico transistor-transistor

Los dispositivos transistor Transistor Logic (TTL) han reemplazado la lógica de transistor de diodo (DTL) ya que funcionan más rápido y son más económicos de funcionar. El NAND IC con Quad 2-input utiliza un dispositivo 7400 TTL para diseñar una amplia gama de circuitos que se utiliza como inversor.

El diagrama de circuito anterior usa puertas NAND dentro del IC. Así que seleccione el interruptor A para activar el circuito, entonces podrá notar que ambos LED en el circuito se apagarán. Cuando la salida es baja, la entrada debe ser alta. Después de eso, seleccione el interruptor B y luego ambos LED se encenderán.

Cuando se selecciona el interruptor A, ambas entradas de la puerta NAND serán altas, lo que significa que la salida de las puertas lógicas será menor. Cuando se selecciona el interruptor B, las entradas no estarán altas durante mucho tiempo y los LED se encenderán.

Ventajas y desventajas

Las ventajas de las desventajas de TTL incluyen las siguientes.

El principal beneficio de TTL es que podemos interactuar fácilmente con otros circuitos y la capacidad de generar funciones lógicas difíciles debido a ciertos niveles de voltaje, así como buenos márgenes de ruido TTL tiene buenas características como el ventilador, lo que significa la cantidad de señales i / p que se puede aceptar a través de una entrada.

TTL es principalmente inmune al daño de las descargas eléctricas estacionarias que no son como CMOS y, en comparación con CMOS, son económicas. El principal inconveniente de TTL es la alta utilización de corriente. Las altas demandas de corriente del TTL pueden conducir a un funcionamiento ofensivo porque los estados o / p se apagarán. Incluso con diferentes versiones TTL que tienen un bajo consumo de corriente será competitivo con CMOS.

Con la llegada de CMOS, las aplicaciones TTL han sido reemplazadas por CMOS. Pero, TTL todavía se utiliza en aplicaciones porque son bastante robustas y las puertas lógicas son bastante baratas.

Aplicaciones TTL

Las aplicaciones de TTL incluyen las siguientes.

  • Se utiliza en la aplicación del controlador para proporcionar 0 a 5 V
  • Se utiliza como dispositivo de conmutación en luces de conducción y relés.
  • Utilizado en procesadores de mini computadoras como DEC VAX
  • Utilizado en impresoras y terminales de visualización de video

Por lo tanto, se trata de una descripción general de la lógica TTL o transistor-transistor . Es un grupo de circuitos integrados que mantienen los estados lógicos y logran la conmutación mediante BJT. TTL es una de las razones por las que los circuitos integrados se utilizan tanto porque son económicos, más rápidos y de alta confiabilidad en comparación con TTL y DTL. Un TTL usa transistores a través de varios emisores en puertas que tienen varias entradas. Aquí, hay una pregunta para usted, ¿cuáles son las subcategorías de la lógica transistor-transistor?