Lógica transistor-transistor

Lógica transistor-transistor (TTL) es una familia lógica construida a partir de transistores de unión bipolar. Su nombre significa que los transistores realizan tanto la función lógica (el primer 'transistor') como la función amplificadora (el segundo 'transistor'), a diferencia de la lógica anterior de resistencia-transistor (RTL) y lógica diodo-transistor (DTL).

Los circuitos integrados (CI) TTL se usaban ampliamente en aplicaciones tales como computadoras, controles industriales, equipos de prueba e instrumentación, electrónica de consumo y sintetizadores.

Después de su introducción en forma de circuito integrado en 1963 por parte de Sylvania Electric Products, varias empresas de semiconductores fabricaron circuitos integrados TTL. La serie 7400 de Texas Instruments se hizo particularmente popular. Los fabricantes de TTL ofrecieron una amplia gama de puertas lógicas, flip-flops, contadores y otros circuitos. Las variaciones del diseño del circuito TTL original ofrecían una mayor velocidad o una menor disipación de energía para permitir la optimización del diseño. Los dispositivos TTL se fabricaron originalmente en paquetes dobles en línea de cerámica y plástico y en forma de paquete plano. Algunos chips TTL ahora también se fabrican en paquetes de tecnología de montaje en superficie.

TTL se convirtió en la base de las computadoras y otros dispositivos electrónicos digitales. Incluso después de que los microprocesadores de circuitos integrados CMOS de integración a gran escala (VLSI) hicieran obsoletos los procesadores de múltiples chips, los dispositivos TTL todavía encontraron un uso extensivo como interfaz lógica de unión entre componentes integrados más densamente.

Historia

Un reloj en tiempo real construido de fichas TTL alrededor de 1979

TTL fue inventado en 1961 por James L. Buie de TRW, que lo declaró "particularmente adecuado para la tecnología de diseño de circuitos integrados de nuevo desarrollo". El nombre original de TTL era lógica de transistor acoplado a transistores (TCTL). Los primeros dispositivos comerciales TTL de circuito integrado fueron fabricados por Sylvania en 1963, llamados la familia Sylvania Universal High-Level Logic (SUHL). Las partes de Sylvania se utilizaron en los controles del misil Phoenix. TTL se hizo popular entre los diseñadores de sistemas electrónicos después de que Texas Instruments introdujera la serie 5400 de circuitos integrados, con rango de temperatura militar, en 1964 y la posterior serie 7400, especificada en un rango más estrecho y con paquetes de plástico económicos, en 1966.

La familia Texas Instruments 7400 se convirtió en un estándar de la industria. Las piezas compatibles fueron fabricadas por Motorola, AMD, Fairchild, Intel, Intersil, Signetics, Mullard, Siemens, SGS-Thomson, Rifa, National Semiconductor y muchas otras empresas, incluso en el Bloque del Este (Unión Soviética, RDA, Polonia, Checoslovaquia, Hungría, Rumanía: para obtener más información, consulte la serie 7400). Otros no solo fabricaron piezas TTL compatibles, sino que también se fabricaron piezas compatibles utilizando muchas otras tecnologías de circuitos. Al menos un fabricante, IBM, produjo circuitos TTL no compatibles para su propio uso; IBM usó la tecnología en IBM System/38, IBM 4300 e IBM 3081.

El término "TTL" se aplica a muchas generaciones sucesivas de lógica bipolar, con mejoras graduales en la velocidad y el consumo de energía durante aproximadamente dos décadas. La familia 74Fxx introducida más recientemente todavía se vende hoy (a partir de 2019) y se usó ampliamente hasta finales de los 90. 74AS/ALS Advanced Schottky se introdujo en 1985. A partir de 2008, Texas Instruments continúa suministrando chips de uso más general en numerosas familias de tecnología obsoletas, aunque a precios más altos. Por lo general, los chips TTL no integran más de unos pocos cientos de transistores cada uno. Las funciones dentro de un solo paquete generalmente van desde unas pocas puertas lógicas hasta una porción de bits de microprocesador. TTL también se volvió importante porque su bajo costo hizo que las técnicas digitales fueran económicamente prácticas para tareas que antes se realizaban con métodos analógicos.

El Kenbak-1, ancestro de las primeras computadoras personales, usaba TTL para su CPU en lugar de un chip de microprocesador, que no estaba disponible en 1971. El Datapoint 2200 de 1970 usaba componentes TTL para su CPU y fue la base para el 8008 y posteriores, el conjunto de instrucciones x86. Las estaciones de trabajo Xerox Alto de 1973 y Star de 1981, que introdujeron la interfaz gráfica de usuario, utilizaban circuitos TTL integrados al nivel de unidades aritméticas lógicas (ALU) y segmentos de bits, respectivamente. La mayoría de las computadoras usaban "lógica de pegamento" compatible con TTL. entre chips más grandes hasta bien entrada la década de 1990. Hasta el advenimiento de la lógica programable, la lógica bipolar discreta se usaba para crear prototipos y emular microarquitecturas en desarrollo.

Implementación

Puerta TTL fundamental

Puerta TTL NAND de dos entradas con una etapa de salida simple (implificada)

Las entradas TTL son los emisores de los transistores bipolares. En el caso de las entradas NAND, las entradas son los emisores de transistores de múltiples emisores, funcionalmente equivalentes a múltiples transistores donde las bases y los colectores están unidos. La salida está amortiguada por un amplificador de emisor común.

Ingresa ambos lógicos. Cuando todas las entradas se mantienen en alto voltaje, las uniones base-emisor del transistor de múltiples emisores tienen polarización inversa. A diferencia de DTL, cada una de las entradas consume una pequeña corriente de "colector" (aproximadamente 10 µA). Esto se debe a que el transistor está en modo activo inverso. Una corriente aproximadamente constante fluye desde el riel positivo, a través de la resistencia y hacia la base del transistor de emisor múltiple. Esta corriente pasa a través de la unión base-emisor del transistor de salida, lo que le permite conducir y reducir el voltaje de salida (cero lógico).

Un cero lógico de entrada. Tenga en cuenta que la unión base-colector del transistor de emisor múltiple y la unión base-emisor del transistor de salida están en serie entre la parte inferior de la resistencia y tierra. Si un voltaje de entrada se vuelve cero, la unión base-emisor correspondiente del transistor de múltiples emisores está en paralelo con estas dos uniones. Un fenómeno llamado dirección de corriente significa que cuando dos elementos estables en voltaje con diferentes voltajes de umbral se conectan en paralelo, la corriente fluye a través del camino con el voltaje de umbral más pequeño. Es decir, la corriente sale de esta entrada y entra en la fuente de tensión cero (baja). Como resultado, no fluye corriente a través de la base del transistor de salida, lo que hace que deje de conducir y el voltaje de salida se vuelve alto (lógico). Durante la transición, el transistor de entrada está brevemente en su región activa; por lo tanto, extrae una gran corriente de la base del transistor de salida y, por lo tanto, descarga rápidamente su base. Esta es una ventaja crítica de TTL sobre DTL que acelera la transición sobre una estructura de entrada de diodo.

La principal desventaja de TTL con una etapa de salida simple es la resistencia de salida relativamente alta en la salida lógica "1" eso está completamente determinado por la resistencia del colector de salida. Limita el número de entradas que se pueden conectar (el fanout). Una de las ventajas de la etapa de salida simple es el alto nivel de voltaje (hasta V_CC) de la salida lógica "1" cuando la salida no está cargada.

Lógica cableada de colector abierto

Una variación común omite la resistencia de colector del transistor de salida, creando una salida de colector abierto. Esto permite que el diseñador fabrique lógica cableada conectando las salidas de colector abierto de varias puertas lógicas juntas y proporcionando una sola resistencia pull-up externa. Si cualquiera de las compuertas lógicas pasa a nivel lógico bajo (transistor conductor), la salida combinada será baja. Ejemplos de este tipo de puertas son las series 7401 y 7403. Las salidas de colector abierto de algunas puertas tienen un voltaje máximo más alto, como 15 V para el 7426, útil cuando se manejan cargas que no son TTL.

TTL con un "tótem" etapa de salida

NAND estándar TTL con una etapa de salida "pole-totem", una de cuatro en 7400

Para resolver el problema con la alta resistencia de salida de la etapa de salida simple, el segundo esquema le agrega un "tótem" ("push-pull") de salida. Consiste en los dos transistores n-p-n V₃ y V₄, el "levantamiento" diodo V₅ y la resistencia limitadora de corriente R₃ (ver la figura de la derecha). Se impulsa aplicando la misma idea de dirección actual que la anterior.

Cuando V₂ está "apagado", V₄ está "apagado" también y V₃ opera en la región activa como un seguidor de voltaje que produce un voltaje de salida alto ("1" lógico).

Cuando V₂ está "encendido", activa V₄, impulsando bajo voltaje ("0" lógico) a La salida. Nuevamente hay un efecto de conducción de corriente: la combinación en serie de la unión C-E de V₂ y la unión B-E de V₄ está en paralelo con la serie de V₃ BE, V₅'s unión ánodo-cátodo y V₄ C-E. La segunda combinación en serie tiene el voltaje de umbral más alto, por lo que no fluye corriente a través de ella, es decir, se priva de la corriente base V₃. El transistor V₃ se "apaga" y no afecta a la salida.

En medio de la transición, la resistencia R₃ limita la corriente que fluye directamente a través del transistor conectado en serie V₃, diodo V₅ y el transistor V₄ que son todos conductores. También limita la corriente de salida en el caso de salida lógica "1" y corta conexión a tierra. La fuerza de la puerta se puede aumentar sin afectar proporcionalmente el consumo de energía quitando las resistencias pull-up y pull-down de la etapa de salida.

La principal ventaja de TTL con un "tótem" la etapa de salida es la baja resistencia de salida en la salida lógica "1". Está determinado por el transistor de salida superior V₃ que opera en la región activa como un seguidor de emisor. La resistencia R₃ no aumenta la resistencia de salida ya que está conectada en el colector V₃ y su influencia es compensada por la retroalimentación negativa. Una desventaja del "tótem-pole" la etapa de salida es el nivel de voltaje reducido (no más de 3,5 V) de la salida lógica "1" (incluso si la salida está descargada). La razón de esta reducción son las caídas de voltaje a través de las uniones V₃ base-emisor y V₅ ánodo-cátodo.

Consideraciones de interfaz

Al igual que DTL, TTL es una lógica de sumidero de corriente ya que se debe extraer una corriente de las entradas para llevarlas a un nivel de voltaje lógico 0. La etapa de conducción debe absorber hasta 1,6 mA de una entrada TTL estándar sin permitir que el voltaje aumente a más de 0,4 voltios. La etapa de salida de las compuertas TTL más comunes se especifica para funcionar correctamente cuando se manejan hasta 10 etapas de entrada estándar (un fanout de 10). Las entradas TTL a veces simplemente se dejan flotando para proporcionar un '1' lógico, aunque no se recomienda este uso.

Los circuitos TTL estándar funcionan con una fuente de alimentación de 5 voltios. Una señal de entrada TTL se define como "baja" cuando entre 0 V y 0,8 V con respecto al terminal de tierra, y "alto" cuando entre 2 V y V_CC (5 V), y si se envía una señal de voltaje que oscila entre 0,8 V y 2,0 V a la entrada de una puerta TTL, no hay una respuesta segura de la puerta y por lo tanto, se considera "incierto" (los niveles lógicos precisos varían ligeramente entre subtipos y por temperatura). Las salidas TTL suelen estar restringidas a límites más estrechos de entre 0,0 V y 0,4 V para un valor "bajo" y entre 2,4 V y V_CC para un "alto", proporcionando al menos 0,4 V de inmunidad al ruido. La estandarización de los niveles TTL es tan omnipresente que las placas de circuito complejas a menudo contienen chips TTL fabricados por muchos fabricantes diferentes seleccionados por su disponibilidad y costo, estando asegurada la compatibilidad. Dos unidades de placa de circuito de la misma línea de ensamblaje en diferentes días o semanas sucesivas pueden tener una combinación diferente de marcas de chips en las mismas posiciones en la placa; la reparación es posible con chips fabricados años más tarde que los componentes originales. Dentro de unos límites útilmente amplios, las puertas lógicas se pueden tratar como dispositivos booleanos ideales sin preocuparse por las limitaciones eléctricas. Los márgenes de ruido de 0,4 V son adecuados debido a la baja impedancia de salida de la etapa del controlador, es decir, se necesita una gran cantidad de potencia de ruido superpuesta a la salida para llevar una entrada a una región indefinida.

En algunos casos (p. ej., cuando la salida de una puerta lógica TTL debe usarse para controlar la entrada de una puerta CMOS), el nivel de voltaje del "tótem" etapa de salida en la salida lógica "1" se puede aumentar más cerca de V_CC conectando una resistencia externa entre el colector V4 y el riel positivo. Levanta el cátodo V₅ y corta el diodo. Sin embargo, esta técnica en realidad convierte el sofisticado "tótem" salida en una etapa de salida simple que tiene una resistencia de salida significativa cuando se conduce a un nivel alto (determinado por la resistencia externa).

Embalaje

Como la mayoría de los circuitos integrados del período 1963–1990, los dispositivos TTL comerciales generalmente se empaquetan en paquetes duales en línea (DIP), generalmente con 14 a 24 pines, para montaje en orificio pasante o en zócalo. Los paquetes de plástico epoxi (PDIP) se usaban a menudo para componentes de rango de temperatura comercial, mientras que los paquetes de cerámica (CDIP) se usaban para partes de rango de temperatura militar.

Los troqueles de chips de haz y plomo sin paquetes se fabricaron para ensamblarlos en arreglos más grandes como circuitos integrados híbridos. Las piezas para aplicaciones militares y aeroespaciales se empaquetaron en paquetes planos, una forma de paquete de montaje en superficie, con cables adecuados para soldar o soldar placas de circuito impreso. Hoy en día, muchos dispositivos compatibles con TTL están disponibles en paquetes de montaje en superficie, que están disponibles en una variedad más amplia de tipos que los paquetes de orificio pasante.

TTL es particularmente adecuado para circuitos integrados bipolares porque las entradas adicionales a una puerta simplemente requieren emisores adicionales en una región de base compartida del transistor de entrada. Si se usaran transistores empaquetados individualmente, el costo de todos los transistores desalentaría el uso de una estructura de entrada de este tipo. Pero en un circuito integrado, los emisores adicionales para entradas de compuerta adicionales agregan solo un área pequeña.

Al menos un fabricante de computadoras, IBM, construyó sus propios circuitos integrados flip chip con TTL; estos chips se montaron en módulos cerámicos de múltiples chips.

Comparación con otras familias lógicas

Los dispositivos TTL consumen mucha más energía que los dispositivos CMOS equivalentes en reposo, pero el consumo de energía no aumenta con la velocidad del reloj tan rápidamente como los dispositivos CMOS. En comparación con los circuitos ECL contemporáneos, TTL usa menos energía y tiene reglas de diseño más sencillas, pero es sustancialmente más lento. Los diseñadores pueden combinar dispositivos ECL y TTL en el mismo sistema para lograr el mejor rendimiento general y economía, pero se requieren dispositivos de cambio de nivel entre las dos familias lógicas. TTL es menos sensible al daño por descarga electrostática que los primeros dispositivos CMOS.

Debido a la estructura de salida de los dispositivos TTL, la impedancia de salida es asimétrica entre el estado alto y bajo, lo que los hace inadecuados para impulsar líneas de transmisión. Este inconveniente generalmente se supera almacenando en búfer las salidas con dispositivos de controlador de línea especiales donde las señales deben enviarse a través de cables. ECL, en virtud de su estructura de salida de baja impedancia simétrica, no tiene este inconveniente.

El TTL "tótem" La estructura de salida a menudo tiene una superposición momentánea cuando los transistores superior e inferior están conduciendo, lo que resulta en un pulso sustancial de corriente extraído de la fuente de alimentación. Estos pulsos pueden acoplarse de formas inesperadas entre múltiples paquetes de circuitos integrados, lo que da como resultado un margen de ruido reducido y un rendimiento más bajo. Los sistemas TTL suelen tener un condensador de desacoplamiento para cada uno o dos paquetes de circuitos integrados, de modo que un pulso de corriente de un chip TTL no reduzca momentáneamente el voltaje de suministro a otro.

Desde mediados de la década de 1980, varios fabricantes suministran equivalentes lógicos CMOS con niveles de entrada y salida compatibles con TTL, generalmente con números de pieza similares al componente TTL equivalente y con los mismos pines. Por ejemplo, la serie 74HCT00 proporciona muchos reemplazos directos para piezas de la serie bipolar 7400, pero utiliza tecnología CMOS.

Subtipos

Generaciones sucesivas de tecnología produjeron piezas compatibles con consumo de energía o velocidad de conmutación mejorados, o ambos. Aunque los proveedores comercializaron uniformemente estas diversas líneas de productos como TTL con diodos Schottky, algunos de los circuitos subyacentes, como los que se usan en la familia LS, podrían considerarse DTL.

Las variaciones y los sucesores de la familia TTL básica, que tiene un retraso de propagación de puerta típico de 10 ns y una disipación de potencia de 10 mW por puerta, para un producto de retraso de potencia (PDP) o energía de conmutación de aproximadamente 100 pJ, incluyen:

• TTL de baja potencia (L), que cambió la velocidad de conmutación (33ns) para una reducción del consumo de energía (1 mW) (ahora esencialmente reemplazada por la lógica CMOS)
• TTL de alta velocidad (H), con conmutación más rápida que TTL estándar (6ns) pero disipación de potencia significativamente mayor (22 mW)
• Schottky TTL (S), introducido en 1969, que utilizó pinzas de diodo Schotky en entradas de puerta para prevenir el almacenamiento de carga y mejorar el tiempo de conmutación. Estas puertas funcionaban más rápidamente (3ns) pero tenían disipación de potencia superior (19 mW)
• Bajo potencia Schottky TTL (LS) utilizó los valores de resistencia más altos de TTL de baja potencia y los diodos Schotky para proporcionar una buena combinación de velocidad (9.5ns) y reducción del consumo de energía (2 mW), y PPD de aproximadamente 20 pJ. Probablemente el tipo más común de TTL, estos se utilizaron como lógica de pegamento en microcomputadoras, esencialmente reemplazando las antiguas subfamilias H, L y S.
• Variaciones rápidas (F) y avanzadas de LS de Fairchild y TI, respectivamente, alrededor de 1985, con circuitos "Miller-killer" para acelerar la transición baja a alta. These families achieved PDPs of 10 pJ and 4 pJ, respectively, the lowest of all the TTL families.
• TTL de bajo voltaje (LVTTL) para suministros de energía de 3.3 voltios e interfacing de memoria.

La mayoría de los fabricantes ofrecen rangos de temperatura ampliados y comerciales: por ejemplo, las piezas de la serie 7400 de Texas Instruments tienen una clasificación de 0 a 70 °C, y los dispositivos de la serie 5400 tienen un rango de temperatura de especificación militar de −55 a +125 °C.

Los niveles de calidad especiales y las piezas de alta confiabilidad están disponibles para aplicaciones militares y aeroespaciales.

Los dispositivos resistentes a la radiación (por ejemplo, de la serie SNJ54) se ofrecen para aplicaciones espaciales.

Aplicaciones

Antes de la llegada de los dispositivos VLSI, los circuitos integrados TTL eran un método estándar de construcción para los procesadores de minicomputadoras y computadoras centrales; como DEC VAX y Data General Eclipse, y para equipos como controles numéricos de máquinas herramienta, impresoras y terminales de visualización de video. A medida que los microprocesadores se volvieron más funcionales, los dispositivos TTL se volvieron importantes para la "lógica de pegamento" aplicaciones, como controladores de bus rápido en una placa base, que unen los bloques de funciones realizados en elementos VLSI. El Gigatron TTL es un ejemplo más reciente (2018) de un procesador construido completamente con circuitos integrados TTL.

Aplicaciones analógicas

Aunque originalmente se diseñó para manejar señales digitales de nivel lógico, un inversor TTL puede polarizarse como un amplificador analógico. La conexión de una resistencia entre la salida y la entrada polariza el elemento TTL como un amplificador de retroalimentación negativa. Dichos amplificadores pueden ser útiles para convertir señales analógicas al dominio digital, pero normalmente no se utilizarían cuando la amplificación analógica sea el objetivo principal. Los inversores TTL también se pueden usar en osciladores de cristal donde su capacidad de amplificación analógica es significativa.

Una puerta TTL puede funcionar sin darse cuenta como un amplificador analógico si la entrada está conectada a una señal de entrada que cambia lentamente y atraviesa la región no especificada de 0,8 V a 2 V. La salida puede ser errática cuando la entrada está en este rango. Una entrada que cambia lentamente como esta también puede causar una disipación de energía excesiva en el circuito de salida. Si se debe usar una entrada analógica de este tipo, hay partes TTL especializadas con entradas de disparador Schmitt disponibles que convertirán de manera confiable la entrada analógica a un valor digital, operando efectivamente como un convertidor A a D de un bit.