Меню

Что такое напряжение ttl уровня

Транзисторно-транзисторная логика

Nuvola apps important recycle.svg

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 и энергопотребление, 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).

Содержание

Принцип работы

Принцип работы ТТЛ с простым инвертором:

Биполярные транзисторы могут работать в режимах: отсечки, нормально активный, инверсно активный и насыщения. В инверсно активном режиме эмиттерный переход закрыт, а коллекторный переход открыт. В инверсном режиме коэффициент усиления транзистора значительно меньше, чем в нормальном режиме, из-за несимметричного конструктивного исполнения переходов база-коллектор и база-эмиттер.
При нулевом уровне на любом входе многоэмиттерного транзистора VT1 (на упрощённой схеме — справа) он работает в нормальном режиме и формирует на базе VT2 потенциал близкий к нулю. В этом состоянии неосновные носители из базы VT2 рассасываются не только через коллектор, но и через открытый VT1.

Если ноль подаётся на один из входов VT1, то наблюдается максимальный входной ток I=(E-0,7)/R1. В этом случае через другие эмиттерные переходы может наблюдаться паразитный ток. Чтобы он не был слишком велик неиспользуемые входы элемента присоединяются к источнику питания +5В, −5В через резистор с сопротивлением 1кОм, который может работать на 10 входов ТТЛ. Если свободные входы не подключаются ни к чему, то логика работы схемы сохраняется но паразитная ёмкость входных цепей будет уменьшать быстродействие цепи из расчёта 2 нс на 1 вход. Свободные входы могут воспринимать сигнал помехи, который может привести к сбою в работе схемы.
Если на все входы поступает уровень логической единицы, то VT1 окажется инверсно-включенным, ток R1 течёт через коллектор VT1 в базу VT2, на выходе формируется нуль.

Если резистор R2 не используется, то мы имеем дело с элементом с открытым коллектором, у которого в условном обозначении 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.

Читайте также:  Формула электрического напряжения между пластинами

Транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ)

В ТТЛШ используются транзисторы 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.

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» — военный, с расширенным температурным диапазоном. Тип корпуса как правило указывается последней буквой в обозначении, например для Texas Instruments тип корпуса пластиковый DIP кодируется буквой N.

Источник



Микросхемы ТТЛ

Общие сведения о микросхемах ТТЛ (TTL)

Микросхемы ТТЛ

Интегральные микросхемы ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) представляют собой микросхемы малой степени интеграции, выполненные на биполярных транзисторах.

К явным недостаткам данной разработки можно отнести небольшое количество логических элементов на кристалл, критичность к напряжению питания и большой ток потребления, который в зависимости от типа микросхемы может колебаться от 10 до 120 mA.

Из-за фиксированного напряжения питания невозможно было использовать микросхемы ТТЛ в комплексе с другими микросхемами, например, с ЭСЛ (эмиттерно-связанной логикой) или МОП структурами. При необходимости нужно было использовать специальные микросхемы ПУ (преобразователи уровня). Кроме того напряжение питания данной серии составляет 5V при допуске 5%, а отечественная промышленность не выпускала элементов питания на такое напряжение, что резко ограничивало применение этой серии в компактной, переносной аппаратуре.

На рисунке изображён один из самых простых логических элементов — 3И – НЕ. Его основу составляет многоэмиттерный транзистор VT1. Уровень логического нуля на выходе появится при наличии высоких логических уровней на всех трёх входах одновременно. Транзистор VT2 при этом играет роль инвертора (элемента НЕ), а многоэмиттерный транзистор VT1 — элемента 3И. Схему И еще называют схемой совпадения.

Внутреннее устройство элемента 3И-НЕ

Несмотря на все недостатки самая популярная серия из ТТЛ, серия К155, активно внедрялась и постоянно пополнялась новыми разработками. Огромной популярностью и по сей день пользуется микросхема К155ЛА3. Её зарубежный аналог — SN7400. На базе этой микросхемы можно собрать много простых электронных устройств, например, маячок на микросхеме. Также микросхему К155ЛА3 частенько используют в качестве простейшего генератора импульсов, как, например, в схеме бегущие огни на светодиодах.

Читайте также:  Реле напряжения для чего применяется

Очень часто можно встретить микросхемы серии К155 с маркировкой КМ155. Буква М указывает на то, что корпус микросхемы выполнен из керамики. В остальном между этими микросхемами отличий нет.

Серия К155 является самой полной серией микросхем ТТЛ. В неё входят около 100 микросхем различного назначения. В эту серию входят как все элементы базовой логики (И, ИЛИ, НЕ, И – НЕ, ИЛИ – НЕ) так и построенные на этих элементах более сложные узлы для выполнения логических операций: триггеры, регистры, счётчики, сумматоры. В серии К155 имеются даже микросхемы ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) и ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), правда, небольшой ёмкости. Это микросхемы К155РЕ3, 21, 22, 23, 24 и К155РУ1, 2, 5, 7.

Широкое распространение эта серия получила в электронно-вычислительной технике, контрольно-измерительных приборах и средствах автоматики.

Уровень логической единицы в микросхемах данной серии может находиться в интервале напряжений от 2,4 V до напряжения питания (т.е. 5 V). Уровень логического нуля не должен превышать 0,4 V. Длительная практическая работа с этой серией показала, что фактически уровень логической единицы не бывает ниже 3,2 V, а уровень логического нуля не превышает 0,2 V.

Все микросхемы, за исключением некоторых регистров, счётчиков и схем памяти, выпускаются в стандартном корпусе на 14 выводов. На корпусе микросхемы К155ИР1 хорошо видна выемка (иногда бывает точка), это зона ключа, она показывает первый вывод. 7-й вывод это корпус (минус питания). 14-й расположенный напротив первого, это +V пит.

Метка на корпусе микросхемы

Вся серия К155 является полным аналогом зарубежной серии SN74. Она была разработана в США ещё в 1965 году, но продолжает выпускаться до сих пор. Такой же долгожительницей является и наша серия К155. Дело в том, что процесс напыления в вакууме на монокристалл кремния структур ТТЛ настолько хорошо отработан и прост, что себестоимость микросхем ТТЛ по сравнению с другими микросхемами фантастически низкая.

Микросхема транзисторно-транзисторной логики К155ЛЛ2

И, несмотря на простоту, серия К155 позволила в 70-е годы создать серию электронно-вычислительных машин ЕС ЭВМ или «Ряд-1, Ряд-2» от простой ЕС-1020 до мощной по тем временам машины ЕС-1065 с быстродействием 4 миллиона операций в секунду. Этот монстр был выпущен в 1985 году и благополучно работал в НИИ занятых разработками самых приоритетных направлений, таких как исследование космоса и проектирование новых видов ядерного оружия.

Серия К155 также широко применяется и в цифровых измерительных приборах. При разработке печатных плат для микросхем этой серии следует учитывать возможные броски тока, поэтому на платах микросхемы распространяют линейно с широкими шинами питания. Использование разветвлённых дорожек для подачи питания запрещено. Между шинами питания на каждый корпус ставятся блокировочные конденсаторы ёмкостью 10 – 15 нанофарад.

В процессе научных разработок серия К155 естественно развивалась. Так появилась серия К555, в которой ТТЛ принцип сохранён, но изменена схемотехника. В этой серии в коллекторных переходах транзисторов стоят диоды Шоттки. Поэтому микросхемы серии К555 называют ТТЛШ (ТТЛ и диод Шоттки). Благодаря этому потребляемая мощность снизилась примерно в два раза, а быстродействие заметно увеличилось. За рубежом аналогичная серия называется SN74LS. Вообще, такие разработки как ТТЛШ уже трудно отнести к транзисторного-транзисторной логике, так как в составе микросхем используются диоды, а это уже диодно-транзисторная логика (ДТЛ или англ. DTL).

Источник

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)

В ТТЛ схемах для реализации логического элемента «2И» вместо параллельного соединения диодов используется многоэмиттерный транзистор. Физика работы этого логического элемента не отличается от работы диодного логического элемента «2И». Высокий потенциал на выходе многоэмиттерного транзистора получается только в том случае, когда на обоих входах логического элемента (эмиттерах транзистора) присутствует высокий потенциал (то есть нет эмиттерного тока). Принципиальная схема базового логического элемента ТТЛ микросхемы приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема базового логичиского элемента ТТЛ микросхемы

Умощняющий усилитель, как и в диодно-транзисторном элементе, инвертирует сигнал на выходе схемы логического элемента. По такой схеме выполнены базовые логические элементы ТТЛ микросхем серий 155, 131, 155 и 531. Схемы «И-НЕ» в этих сериях микросхем обычно имеет обозначение ЛА. Например, схема К531ЛА3 содержит в одном корпусе четыре логических элемента «2И-НЕ». Таблица истинности, реализуемая этой схемой, приведена в таблице 1, а условно-графическое обозначение этих логических элементов приведено на рисунке 2.

Читайте также:  Что будет если поставить электролитический конденсатор большего напряжения

Рисунок 2. Условно-графическое обозначение логического элемента «2И-НЕ»

Таблица 1. Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию «2И-НЕ»

x1 x2 F
1
1 1
1 1
1 1

На основе базового логического элемента строится и инвертор. В этом случае на входе схемы используется только один диод. Схема ТТЛ инвертора приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Принципиальная схема инвертора ТТЛ микросхемы

При необходимости объединения нескольких логических элементов «И» по схеме «ИЛИ» (или при реализации логических элементов «ИЛИ») транзисторы VT2 соединяются параллельно в точках «а» и «б», показанных на рисунке 8, а выходной каскад используется один. В результате быстродействие такого, достаточно сложного элемента, получается точно таким же, как и у одиночного логического элемента «2И-НЕ». Принципиальная схема логического элемента «2И-2ИЛИ-НЕ» приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Принципиальная схема ТТЛ микросхемы «2И-2ИЛИ-НЕ»

Такие соединения логических элементов широко применяется при реализации цифровых микросхем по произвольной таблице истинности методом СДНФ, а условно-графическое обозначение элемента «2И-2ИЛИ-НЕ» приведено на рисунке 5. Такие логические элементы содержатся в отечественных цифровых микросхемах с обозначением ЛР.

Рисунок 5. Условно-графическое обозначение логического элемента «2И-2ИЛИ-НЕ» ТТЛ микросхем

Схемы «ИЛИ-НЕ» в отечественных ТТЛ сериях микросхем средней интеграции имеет обозначение ЛЕ. Например микросхема К1531ЛЕ5 содержит в одном корпусе четыре элемента «2ИЛИ-НЕ». Следует отметить, что в современных микросхемах малой логики стараются в одном корпусе разместить один, в крайнем случае два логических элемента.

Так как в современных схемах ТТЛ и в схемах ДТЛ используется одинаковый выходной усилитель, то и уровни логических сигналов в этих схемах одинаковы. Поэтому часто говорят, что это ТТЛ микросхемы, не уточняя по какой схеме выполнен входной каскад этих микросхем. Тем самым подчеркивается отличие этих микросхем от старых ДТЛ серий микросхем с повышенным напряжением питания. Более того! Появились КМОП микросхемы, совместимые с ТТЛ микросхемами по логическим уровням, например К1564 (иностранный аналог SN74HCT) или К1594 (иностранный аналог SN74АСT).

Логические уровни ТТЛ микросхем

В настоящее время применяются два вида ТТЛ микросхем — с пяти и и с трёхвольтовым питанием, но, независимо от напряжения питания микросхем, логические уровни нуля и единицы на выходе этих микросхем совпадают. Поэтому дополнительного согласования между ТТЛ микросхемами обычно не требуется. Допустимый уровень напряжения на выходе цифровой ТТЛ микросхемы показан на рисунке 6.

Рисунок 6. Уровни логических сигналов на выходе цифровых ТТЛ микросхем

Как уже говорилось ранее, напряжение на входе цифровой микросхемы по сравнению с выходом обычно допускается в больших пределах. Границы уровней логического нуля и единицы для ТТЛ микросхем приведены на рисунке 7.

Рисунок 7. Уровни логических сигналов на входе цифровых ТТЛ микросхем

Семейства ТТЛ микросхем

Первые ТТЛ микросхемы оказались на редкость удачным решением, поэтому их можно встретить в аппаратуре, работающей до сих пор. Это семейство микросхем серии К155. Стандартные ТТЛ микросхемы — это микросхемы, питающиеся от источника напряжения +5 В. Зарубежные ТТЛ микросхемы получили название SN74. Конкретные микросхемы этой серии обозначаются цифровым номером микросхемы, следующим за названием серии. Например, в микросхеме SN74S00 содержится четыре логических элемента «2И-НЕ». Аналогичные микросхемы с расширенным температурным диапазоном получили название SN54 (отечественный вариант — серия микросхем К133).

Отечественные микросхемы, совместимые с SN74 выпускались в составе серий К134 (низкое быстродействие низкое потребление — SN74L), К155 (среднее быстродействие среднее потребление — SN74) и К131 (высокое быстродействие и большое потребление). Затем были выпущены микросхемы повышенного быстродействия с диодами Шоттки. В названии зарубежных микросхем в обозначении серии появилась буква S. Отечественные серии микросхем сменили цифру 1 на цифру 5. Выпускаются микросхемы серий К555 (низкое быстродействие низкое потребление — SN74LS) и К531 (высокое быстродействие и большое потребление — SN74S).

В настоящее время отечественная промышленность производит микросхемы серий К1533 (низкое быстродействие низкое потребление — SN74ALS) и К1531 (высокое быстродействие и большое потребление — SN74F).

За рубежом производится трехвольтовый вариант ТТЛ микросхем — SN74ALB

Дата последнего обновления файла 21.12.2008

Источник

Adblock
detector