La 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 de amplificación (el segundo "transistor"), a diferencia de la anterior lógica de resistencia-transistor (RTL) y la lógica de diodo-transistor (DTL).
Los circuitos integrados (CI) TTL se utilizaron ampliamente en aplicaciones como computadoras , controles industriales, equipos e instrumentación de prueba, 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 especialmente 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 ofrecieron mayor velocidad o menor disipación de potencia para permitir la optimización del diseño. Los dispositivos TTL se fabricaron originalmente en paquetes duales 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 muy gran escala (VLSI) hicieran obsoletos los procesadores de múltiples chips, los dispositivos TTL todavía encontraron un uso extensivo como interfaz lógica de pegamento entre componentes más densamente integrados.
TTL fue inventado en 1961 por James L. Buie de TRW , quien lo declaró "particularmente adecuado para la tecnología de diseño de circuitos integrados de reciente desarrollo". El nombre original de TTL era lógica de transistores acoplados a transistores (TCTL). [2] Los primeros dispositivos TTL de circuito integrado comerciales fueron fabricados por Sylvania en 1963, llamados familia Sylvania Universal High-Level Logic (SUHL). [3] Las piezas Sylvania fueron utilizadas en los controles del misil Phoenix . [3] 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 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 , [5] [6] y muchas otras empresas, incluso en el Bloque del Este (Unión Soviética, RDA, Polonia, Checoslovaquia, Hungría, Rumania (para más detalles, 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 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 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 utilizó ampliamente hasta finales de los años 90. 74AS/ALS Advanced Schottky se introdujo en 1985. [8] A partir de 2008, Texas Instruments continúa suministrando chips de uso más general en numerosas familias de tecnologías obsoletas, aunque a precios más elevados. Normalmente, los chips TTL integran no más de unos pocos cientos de transistores cada uno. Las funciones dentro de un solo paquete generalmente van desde unas pocas puertas lógicas hasta un segmento de bits de un microprocesador . TTL también cobró importancia porque su bajo costo hizo que las técnicas digitales fueran económicamente prácticas para tareas que antes se realizaban mediante métodos analógicos. [9]
El Kenbak-1 , antepasado de los primeros ordenadores personales , utilizaba TTL para su CPU en lugar de un chip de microprocesador , que no estaba disponible en 1971. [10] El Datapoint 2200 de 1970 utilizaba componentes TTL para su CPU y fue la base del 8008 y posteriores 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 aritméticas lógicas (ALU) y bitslices, respectivamente. La mayoría de las computadoras 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 , la lógica bipolar discreta se utilizaba para prototipar y emular microarquitecturas en desarrollo.
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 emisores múltiples , funcionalmente equivalentes a transistores múltiples donde las bases y los colectores están unidos. [12] La salida está amortiguada por un amplificador emisor común .
Introduce ambos lógicos. Cuando todas las entradas se mantienen a alto voltaje, las uniones base-emisor del transistor de emisores múltiples 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 emisores múltiples. [13] 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 emisores múltiples 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 emisores múltiples está en paralelo con estas dos uniones. Un fenómeno llamado dirección de corriente significa que cuando dos elementos estables de voltaje con diferentes voltajes umbral se conectan en paralelo, la corriente fluye a través del camino con el voltaje 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 (lógico). Durante la transición, el transistor de entrada se encuentra 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 a través de una estructura de entrada de diodo. [14]
La principal desventaja del 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 fanout ). Alguna ventaja de la etapa de salida simple es el alto nivel de voltaje (hasta V CC ) del "1" lógico de salida cuando la salida no está cargada.
Una variación común omite la resistencia del colector del transistor de salida, creando una salida de colector abierto . Esto permite al diseñador fabricar lógica cableada conectando las salidas de colector abierto de varias puertas lógicas y proporcionando una única resistencia pull-up externa . Si alguna de las puertas lógicas pasa a ser lógica baja (conducción de transistor), la salida combinada será baja. Ejemplos de este tipo de compuertas 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 el 7426, [17] útil cuando se activan cargas que no son TTL.
Para resolver el problema con la alta resistencia de salida de la etapa de salida simple, el segundo esquema agrega a esto una salida "tótem" (" push-pull "). Consta de dos transistores npn V 3 y V 4 , el diodo "elevador" V 5 y la resistencia limitadora de corriente R 3 (ver figura de la derecha). Se impulsa aplicando la misma idea de dirección actual que la anterior.
Cuando V 2 está "apagado", V 4 también está "apagado" y V 3 opera en la región activa como un seguidor de voltaje que produce un alto voltaje de salida ("1" lógico).
Cuando V 2 está "encendido", activa V 4 , enviando bajo voltaje ("0" lógico) a la salida. Nuevamente hay un efecto de dirección 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 la tensión umbral más alta, por lo que no fluye corriente a través de ella, es decir, se priva de corriente base V 3 . El transistor V 3 se "apaga" y no afecta la salida.
En medio de la transición, la resistencia R 3 limita la corriente que fluye directamente a través del transistor V 3 , el diodo V 5 y el transistor V 4 conectados en serie , todos conductores. También limita la corriente de salida en el caso de salida lógica "1" y conexión corta 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. [18] [19]
La principal ventaja del TTL con una etapa de salida "tótem" es la baja resistencia de salida en la salida lógica "1". Está determinado por el transistor de salida superior V 3 que funciona en la región activa como 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 retroalimentación 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). La razón de esta reducción son las caídas de voltaje en las uniones V 3 base-emisor y V 5 ánodo-cátodo.
Al igual que DTL, TTL es una lógica de sumidero de corriente , ya que se debe extraer 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. [20] La etapa de salida de las compuertas TTL más comunes está especificada para funcionar correctamente cuando se activan hasta 10 etapas de entrada estándar (una distribución de 10). Las entradas TTL a veces simplemente se dejan flotantes para proporcionar un "1" lógico, aunque no se recomienda este uso. [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 aplica un voltaje Se envía una señal 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 "incierta" (los niveles lógicos precisos varían ligeramente entre subtipos y según la temperatura). Las salidas TTL generalmente están restringidas a límites más estrechos de entre 0,0 V y 0,4 V para "bajo" y entre 2,4 V y V CC para "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 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 salidas de la misma línea de montaje 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 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 conducir una entrada a una región indefinida.
En algunos casos (por ejemplo, cuando la salida de una puerta lógica TTL debe usarse para controlar la entrada de una puerta CMOS), el nivel de voltaje de la etapa de salida "tótem" en la salida lógica "1" se puede aumentar más cerca. a V CC conectando una resistencia externa entre el colector V4 y el riel positivo. Levanta el cátodo V 5 y corta el diodo . [24] Sin embargo, esta técnica en realidad convierte la sofisticada salida "tótem" en una etapa de salida simple que tiene una resistencia de salida significativa cuando se activa un nivel alto (determinado por la resistencia externa).
Como la mayoría de los circuitos integrados del período 1963-1990, los dispositivos TTL comerciales suelen estar empaquetados en paquetes duales en línea (DIP), generalmente con 14 a 24 pines, [25] 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 piezas de rango de temperatura militar.
Se fabricaron matrices de chips con conductores de haz sin paquetes para ensamblarlas en conjuntos más grandes como circuitos integrados híbridos. Las piezas para aplicaciones militares y aeroespaciales se empaquetaban en paquetes planos , una forma de paquete de montaje en superficie, con cables adecuados para soldar o soldar a placas de circuito impreso. Hoy [ ¿ cuándo? ] , muchos dispositivos compatibles con TTL están disponibles en paquetes de montaje en superficie, que están disponibles en una gama más amplia de tipos que los paquetes de orificios pasantes.
TTL es particularmente adecuado para circuitos integrados bipolares porque las entradas adicionales a una puerta simplemente requerían emisores adicionales en una región base compartida del transistor de entrada. Si se usaran transistores empaquetados individualmente, el costo de todos los transistores desalentaría el uso de dicha estructura de entrada. Pero en un circuito integrado, los emisores adicionales para entradas de puerta adicionales añaden sólo un área pequeña.
Al menos un fabricante de computadoras, IBM, construyó sus propios circuitos integrados con chip invertido con TTL; Estos chips se montaron en módulos cerámicos de múltiples chips. [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 para los dispositivos CMOS. [28] En comparación con los circuitos ECL contemporáneos , TTL utiliza 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 y economía en general, pero se requieren dispositivos de cambio de nivel entre las dos familias lógicas. TTL es menos sensible al daño causado 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 bajo, lo que los hace inadecuados para impulsar líneas de transmisión. Este inconveniente generalmente se soluciona amortiguando 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 simétrica de baja impedancia, no tiene este inconveniente.
La estructura de salida TTL "tótem" a menudo tiene una superposición momentánea cuando los transistores superior e inferior están conduciendo, lo que resulta en un pulso sustancial de corriente extraída de la fuente de alimentación. Estos pulsos pueden acoplarse de maneras inesperadas entre múltiples paquetes de circuitos integrados, lo que resulta en un margen de ruido reducido y un menor rendimiento. Los sistemas TTL suelen tener un condensador de desacoplamiento por 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 bipolares de la serie 7400 , pero utiliza tecnología CMOS .
Las sucesivas generaciones de tecnología produjeron piezas compatibles con un consumo de energía o una 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 utilizados en la familia LS, podrían considerarse DTL . [29]
Las variaciones y sucesores de la familia TTL básica, que tiene un retardo de propagación de puerta típico de 10 ns y una disipación de potencia de 10 mW por puerta, 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 tienen una clasificación de 0 a 70 °C, y los dispositivos de la serie 5400 en el rango de temperatura de especificación militar de −55 a +125 °C.
Se encuentran disponibles niveles de calidad especiales y piezas de alta confiabilidad para aplicaciones militares y aeroespaciales.
Para aplicaciones espaciales se ofrecen dispositivos resistentes a la 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 computadoras centrales de rango medio , 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 los mainframes de alta gama usaban lógica acoplada por emisor . También se utilizaron para equipos como controles numéricos de máquinas herramienta, impresoras y terminales de visualización de video, 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. Conectar una resistencia entre la salida y la entrada polariza el elemento TTL como un amplificador de retroalimentación negativa . Estos amplificadores pueden resultar útiles para convertir señales analógicas al dominio digital, pero normalmente no se utilizarían cuando el objetivo principal sea la amplificación analógica. [30] Los inversores TTL también se pueden utilizar en osciladores de cristal donde su capacidad de amplificación analógica es significativa.
Una puerta TTL puede funcionar inadvertidamente como un amplificador analógico si la entrada está conectada a una señal de entrada que cambia lentamente y que 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 excesiva de energía en el circuito de salida. Si se debe utilizar una entrada analógica de este tipo, existen 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 serie TTL se refiere a la comunicación en serie de un solo extremo que utiliza niveles de voltaje de transistor sin procesar: "bajo" para 0 y "alto" para 1. [31] UART sobre serie TTL es una interfaz de depuración común para dispositivos integrados. Los dispositivos portátiles como las calculadoras gráficas y los receptores GPS y sondas de pesca compatibles con NMEA 0183 también suelen utilizar UART con TTL. La serie TTL es solo un estándar de facto : no existen pautas eléctricas estrictas. Los módulos controlador-receptor interactúan entre TTL y estándares seriales de mayor alcance: un ejemplo es el MAX232 , que convierte desde y hacia RS-232 . [32]
TTL diferencial es un TTL serial transportado a través de un par diferencial con niveles de complemento, 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 [serie 74] generalmente están encapsulados en un paquete de doble línea (DIP) de plástico de 14, 16 o 24 pines.
