La lógica transistor-transistor ( TTL ) es una familia lógica formada 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 las anteriores lógicas resistor-transistor (RTL) y lógica diodo-transistor (DTL).
Los circuitos integrados (CI) TTL se utilizaron ampliamente en aplicaciones como computadoras , controles industriales, equipos de prueba e instrumentación, electrónica de consumo y sintetizadores . [1]
Después de su introducción en forma de circuito integrado en 1963 por Sylvania Electric Products , los circuitos integrados TTL fueron fabricados por varias empresas de semiconductores. La serie 7400 de Texas Instruments se hizo particularmente popular. Los fabricantes de TTL ofrecían una amplia gama de puertas lógicas , flip-flops , contadores y otros circuitos. Las variaciones del diseño del circuito TTL original ofrecían mayor velocidad o menor disipación de potencia para permitir la optimización del diseño. Los dispositivos TTL se fabricaban originalmente en paquetes en línea duales de cerámica y plástico y en forma de paquete plano. Algunos chips TTL ahora también se fabrican en paquetes de tecnología de montaje superficial .
El 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 muy gran escala (VLSI) hicieran obsoletos los procesadores de múltiples chips, los dispositivos TTL todavía se usaban ampliamente como interfaz lógica de unión entre componentes más integrados.
El TTL fue inventado en 1961 por James L. Buie de TRW , que lo declaró "particularmente adecuado para la tecnología de diseño de circuitos integrados en desarrollo". El nombre original para TTL era lógica de transistores acoplados a transistores (TCTL). [2] Los primeros dispositivos TTL de circuitos integrados comerciales fueron fabricados por Sylvania en 1963, llamados la familia Sylvania Universal High-Level Logic (SUHL). [3] Las piezas de Sylvania se utilizaron en los controles del misil Phoenix . [3] El 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. [4]
La familia 7400 de Texas Instruments se convirtió en un estándar de la industria. Motorola , AMD , Fairchild , Intel , Intersil , Signetics , Mullard , Siemens , SGS-Thomson , Rifa , National Semiconductor , [5] [6] y muchas otras compañías fabricaron piezas compatibles, incluso en el Bloque del Este (Unión Soviética, RDA, Polonia, Checoslovaquia, Hungría, Rumania; para más detalles, consulte la serie 7400 ). No solo otros 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 utilizó la tecnología en IBM System/38 , IBM 4300 e IBM 3081. [ 7]
El término "TTL" se aplica a muchas generaciones sucesivas de lógica bipolar , con mejoras graduales en velocidad y consumo de energía a lo largo de aproximadamente dos décadas. La familia 74Fxx introducida más recientemente todavía se vende hoy (a partir de 2019), y fue ampliamente utilizada hasta fines de los años 90. 74AS / ALS Advanced Schottky se introdujo en 1985. [8] A partir de 2008, Texas Instruments continúa suministrando los chips de propósito más general en numerosas familias de tecnología obsoleta, 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 varían desde unas pocas puertas lógicas hasta un bit-slice 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. [9]
El Kenbak-1 , antecesor de los primeros ordenadores personales , utilizaba TTL para su CPU en lugar de un chip microprocesador , que no estaba disponible en 1971. [10] El Datapoint 2200 de 1970 utilizaba componentes TTL para su CPU y fue la base para el 8008 y más tarde el conjunto de instrucciones x86 . [11] Las estaciones de trabajo Xerox Alto de 1973 y Star de 1981 , que introdujeron la interfaz gráfica de usuario , utilizaban circuitos TTL integrados a nivel de unidades lógicas aritméticas (ALU) y bitslices, respectivamente. La mayoría de los ordenadores utilizaban una " lógica de pegamento " compatible con TTL entre chips más grandes hasta bien entrada la década de 1990. Hasta la llegada de la lógica programable , se utilizaba lógica bipolar discreta para prototipar y emular microarquitecturas en desarrollo.
Las entradas TTL son los emisores de transistores bipolares. En el caso de las entradas NAND, las entradas son los emisores de transistores de múltiples emisores , funcionalmente equivalentes a transistores múltiples donde las bases y los colectores están conectados entre sí. [12] La salida está amortiguada por un amplificador de emisor común .
Entradas lógicas. Cuando todas las entradas se mantienen a alto voltaje, las uniones base-emisor del transistor de múltiples emisores están polarizadas en sentido inverso. 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 del resistor y hacia la base del transistor de múltiples emisores. [13] Esta corriente pasa a través de la unión base-emisor del transistor de salida, lo que le permite conducir y reduce el voltaje de salida (cero lógico).
Un cero lógico de entrada. Nótese que la unión base-colector del transistor de múltiples emisores 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 de voltaje estable con diferentes voltajes de umbral están conectados en paralelo, la corriente fluye a través del camino con el voltaje de umbral más pequeño. Es decir, la corriente fluye desde esta entrada hacia la fuente de voltaje cero (bajo). 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 vuelva alto (uno lógico). Durante la transición, el transistor de entrada está brevemente en su región activa; por lo que 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. [14]
La principal desventaja de TTL con una etapa de salida simple es la resistencia de salida relativamente alta en la salida lógica "1" que está completamente determinada por la resistencia del colector de salida. Limita el número de entradas que se pueden conectar (el abanico de salida ). Una ventaja 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.
Una variación común omite la resistencia de colector del transistor de salida, lo que genera una salida de colector abierto . Esto permite al diseñador fabricar lógica cableada conectando las salidas de colector abierto de varias puertas lógicas entre sí y proporcionando una única resistencia pull-up externa . Si alguna de las puertas lógicas se vuelve lógicamente baja (transistor conductor), la salida combinada será baja. Ejemplos de este tipo de puerta son las series 7401 [15] y 7403 [16] . Las salidas de colector abierto de algunas puertas tienen un voltaje máximo más alto, como 15 V para la 7426, [17] útil cuando se controlan cargas que no son TTL.
Para resolver el problema de la alta resistencia de salida de la etapa de salida simple, el segundo esquema agrega a esto una salida "totem-pole" (" push-pull "). Consiste en los dos transistores npn V 3 y V 4 , el diodo "elevador" V 5 y la resistencia limitadora de corriente R 3 (ver la figura de la derecha). Se activa aplicando la misma idea de control de corriente que se mencionó anteriormente.
Cuando V 2 está "apagado", V 4 también está "apagado" y V 3 opera en la región activa como un seguidor de voltaje produciendo un alto voltaje de salida ("1" lógico).
Cuando V 2 está "encendido", activa V 4 , lo que lleva un voltaje bajo ("0" lógico) a la salida. Nuevamente, hay un efecto de control de corriente: la combinación en serie de la unión CE de V 2 y la unión BE de V 4 está en paralelo con la serie de V 3 BE, la unión ánodo-cátodo de V 5 y V 4 CE. 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 a V 3 de la corriente de base. El transistor V 3 se "apaga" y no afecta la salida.
En medio de la transición, la resistencia R3 limita la corriente que fluye directamente a través del transistor V3, el diodo V5 y el transistor V4 conectados en serie, que son todos conductores . También limita la corriente de salida en el caso de salida lógica "1" y conexión corta a tierra. La resistencia de la compuerta se puede aumentar sin afectar proporcionalmente el consumo de energía eliminando las resistencias pull-up y pull-down de la etapa de salida. [18] [19]
La principal ventaja de la etapa de salida TTL con una etapa de salida "tótem" es la baja resistencia de salida en la salida lógica "1". Está determinada por el transistor de salida superior V 3 que opera en la región activa como un seguidor de emisor . La resistencia R 3 no aumenta la resistencia de salida ya que está conectada en el colector V 3 y su influencia se compensa con la realimentación negativa. Una desventaja de la etapa de salida "tótem" es el nivel de voltaje reducido (no más de 3,5 V) de la salida lógica "1" (incluso si la salida está descargada). Las razones de esta reducción son las caídas de voltaje a través de las uniones base-emisor V 3 y ánodo-cátodo V 5 .
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 excitación debe absorber hasta 1,6 mA de una entrada TTL estándar sin permitir que el voltaje aumente a más de 0,4 voltios. [20] La etapa de salida de las compuertas TTL más comunes está especificada para funcionar correctamente al accionar hasta 10 etapas de entrada estándar (un abanico de salida de 10). Las entradas TTL a veces simplemente se dejan flotando para proporcionar un "1" lógico, aunque este uso no se recomienda. [21]
Los circuitos TTL estándar funcionan con una fuente de alimentación de 5 voltios . Una señal de entrada TTL se define como "baja" cuando está entre 0 V y 0,8 V con respecto al terminal de tierra, y "alta" cuando está entre 2 V y V CC (5 V), [22] [23] y si se envía una señal de voltaje que oscila entre 0,8 V y 2,0 V a la entrada de una compuerta TTL, no hay una respuesta segura de la compuerta y, por lo tanto, se considera "incierta" (los niveles lógicos precisos varían ligeramente entre subtipos y por temperatura). Las salidas TTL generalmente están restringidas a límites más estrechos de entre 0,0 V y 0,4 V para un "bajo" y entre 2,4 V y V CC para un "alto", lo que proporciona al menos 0,4 V de inmunidad al ruido . La estandarización de los niveles TTL es tan omnipresente que las placas de circuitos complejos a menudo contienen chips TTL fabricados por muchos fabricantes diferentes seleccionados por disponibilidad y costo, y se asegura la compatibilidad. Dos unidades de placa de circuito que salen de la misma línea de montaje en días o semanas sucesivos pueden tener una combinación diferente de marcas de chips en las mismas posiciones en la placa; es posible reparar chips fabricados años después que los componentes originales. Dentro de límites útiles y amplios, las puertas lógicas pueden tratarse 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 impulsar una entrada hacia una región indefinida.
En algunos casos (por ejemplo, cuando la salida de una compuerta lógica TTL debe usarse para controlar la entrada de una compuerta CMOS), el nivel de voltaje de la etapa de salida "tótem-pole" 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. [24] Sin embargo, esta técnica en realidad convierte la sofisticada salida "tótem-pole" en una etapa de salida simple que tiene una resistencia de salida significativa cuando se controla un nivel alto (determinado por la resistencia externa).
Al igual que la mayoría de los circuitos integrados del período 1963-1990, los dispositivos TTL comerciales suelen estar encapsulados en encapsulados duales en línea (DIP), normalmente con 14 a 24 pines, [25] para montaje en orificio pasante o en zócalo. Los encapsulados de plástico epoxi (PDIP) se utilizaban a menudo para componentes de rango de temperatura comercial, mientras que los encapsulados cerámicos (CDIP) se utilizaban para piezas de rango de temperatura militar.
Los chips de haz conductor sin encapsulados se fabricaron para ensamblarse en matrices más grandes como circuitos integrados híbridos. Las piezas para aplicaciones militares y aeroespaciales se empaquetaban en paquetes planos , una forma de encapsulado de montaje superficial, con cables adecuados para soldar o soldar a placas de circuito impreso. Hoy en día [ ¿cuándo? ] , muchos dispositivos compatibles con TTL están disponibles en encapsulados de montaje superficial, que están disponibles en una gama más amplia de tipos que los encapsulados de orificio pasante.
El TTL es particularmente adecuado para circuitos integrados bipolares porque las entradas adicionales a una compuerta solo requieren emisores adicionales en una región de base compartida del transistor de entrada. Si se utilizaran 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 solo agregan un área pequeña.
Al menos un fabricante de computadoras, IBM, construyó sus propios circuitos integrados de chip invertido con TTL; estos chips se montaron en módulos multichip de cerámica. [26] [27]
Los dispositivos TTL consumen sustancialmente más energía que los dispositivos CMOS equivalentes en reposo, pero el consumo de energía no aumenta con la velocidad del reloj tan rápidamente como en el caso de los dispositivos CMOS. [28] En comparación con los circuitos ECL contemporáneos , los TTL consumen menos energía y tienen reglas de diseño más sencillas, pero son sustancialmente más lentos. Los diseñadores pueden combinar dispositivos ECL y TTL en el mismo sistema para lograr el mejor rendimiento general y la mejor economía, pero se requieren dispositivos de cambio de nivel entre las dos familias lógicas. Los TTL son menos sensibles a los daños causados por descargas electrostáticas 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 el bajo, lo que los hace inadecuados para accionar líneas de transmisión. Este inconveniente suele superarse amortiguando las salidas con dispositivos controladores de línea especiales cuando las señales deben enviarse a través de cables. El ECL, en virtud de su estructura de salida simétrica de baja impedancia, no tiene este inconveniente.
La estructura de salida "tótem" de los circuitos integrados TTL suele tener una superposición momentánea cuando tanto el transistor superior como el inferior están conduciendo, lo que da como resultado 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 menor rendimiento. 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, que suelen tener números de pieza similares a los del componente TTL equivalente y con las mismas asignaciones de pines . Por ejemplo, la serie 74HCT00 ofrece muchos reemplazos directos para las piezas bipolares de la serie 7400 , pero utiliza tecnología CMOS .
Las generaciones sucesivas de tecnología produjeron piezas compatibles con un consumo de energía mejorado o una velocidad de conmutación mejorada, o ambas cosas. Aunque los proveedores comercializaron uniformemente estas diversas líneas de productos como TTL con diodos Schottky , algunos de los circuitos subyacentes, como los utilizados en la familia LS, podrían considerarse más bien DTL . [29]
Las variaciones y sucesores de la familia TTL básica, que tiene un retardo de propagación de compuerta típico de 10 ns y una disipación de potencia de 10 mW por compuerta, para un producto de retardo de potencia (PDP) o energía de conmutación de aproximadamente 100 pJ , incluyen:
La mayoría de los fabricantes ofrecen rangos de temperatura comerciales y extendidos: por ejemplo, las piezas de la serie 7400 de Texas Instruments están clasificadas de 0 a 70 °C, y los dispositivos de la serie 5400 sobre el rango de temperatura de especificación militar de −55 a +125 °C.
Disponemos de niveles de calidad especiales y piezas de alta confiabilidad para aplicaciones militares y aeroespaciales.
Para aplicaciones espaciales se ofrecen dispositivos reforzados con radiación (por ejemplo, de la serie SNJ54).
Antes de la llegada de los dispositivos VLSI , los circuitos integrados TTL eran un método estándar de construcción para los procesadores de minicomputadoras y mainframes de gama media , como DEC VAX y Data General Eclipse ; sin embargo, algunas familias de computadoras se basaban en componentes propietarios (por ejemplo, Fairchild CTL), mientras que las supercomputadoras y mainframes de gama alta utilizaban lógica acoplada a emisor . También se utilizaron para equipos como controles numéricos de máquinas herramienta, impresoras y terminales de visualización de vídeo, y a medida que los microprocesadores se volvieron más funcionales para aplicaciones de "lógica de pegamento", como decodificadores de direcciones y controladores de bus, 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.
Aunque originalmente fue diseñado 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 no se utilizarían normalmente cuando la amplificación analógica es el propósito principal. [30] Los inversores TTL también se pueden utilizar en osciladores de cristal donde su capacidad de amplificación analógica es significativa.
Una compuerta TTL puede funcionar inadvertidamente como un amplificador analógico si la entrada está conectada a una señal de entrada que cambia lentamente y que recorre 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 potencia excesiva en el circuito de salida. Si se debe utilizar una entrada analógica de este tipo, hay piezas TTL especializadas con entradas de disparador Schmitt disponibles que convertirán de manera confiable la entrada analógica en un valor digital, funcionando efectivamente como un convertidor A a D de un bit.
La comunicación serial TTL se refiere a una comunicación serial de un solo extremo que utiliza niveles de voltaje de transistor sin procesar: "bajo" para 0 y "alto" para 1. [31] UART sobre serial TTL es una interfaz de depuración común para dispositivos integrados. Los dispositivos portátiles, como calculadoras gráficas y receptores GPS y sondas de pesca compatibles con NMEA 0183, también utilizan comúnmente UART con TTL. La serial TTL es solo un estándar de facto : no existen pautas eléctricas estrictas. Los módulos de controlador-receptor interactúan entre TTL y estándares seriales de mayor alcance: un ejemplo es el MAX232 , que convierte desde y hacia RS-232 . [32]
El TTL diferencial es una transmisión en serie TTL sobre un par diferencial con niveles complementarios, lo que proporciona una tolerancia al ruido mucho mayor. Se pueden producir señales RS-422 y RS-485 utilizando niveles TTL. [33]
CcTalk se basa en niveles de voltaje TTL.
Los dispositivos [de la serie 74] generalmente están encapsulados en un paquete dual en línea (DIP) de plástico de 14 pines, 16 pines o 24 pines.
