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, 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).
Принцип работы ТТЛ с простым инвертором:
Биполярные транзисторы могут работать в режимах: отсечки, насыщения, нормально активно, инверсно активный. В инверсно активном режиме эмиттерный переход закрыт, а коллекторный переход открыт. В инверсном активном режиме коэффициент усиления транзистора по току значительно меньше, чем в нормальном режиме, из-за несимметричности конструктивного исполнения переходов база-коллектор и база-эмиттер, в частности, из-за разницы в их площадях и степени легирования коллекторного и эмиттерного слоёв полупроводника. (Подробнее о режимах работы биполярного транзистора см. Биполярный транзистор).
При нулевом потенциале на любом эмиттере многоэмиттерного транзистора VT1 (на упрощённой схеме — слева) он работает в нормальном режиме насыщения, так как в базу втекает ток резистора R1 (слева), поэтому потенциал коллектора VT1 и базы VT2 (справа) близок к нулю, что переводит VT2 в режим отсечки, поэтому на коллекторе VT2 потенциал близок к потенциалу источника питания Vcc, — на выходе элемента логическая 1. В этом состоянии изменение потенциала другого эмиттера не изменяет состояние элемента. Через эмиттер (вход), присоединённый к «земле» на землю вытекает ток I = (Vcc — 0,7)/R1, 0,7 В — падение напряжения на прямосмешённом эмиттерном переходе VT1.
Если отключить все эмиттеры, или подать на них напряжения логической 1 (более 2,4 В), то через прямосмещеннный коллекторный переход VT1 в базу VT2 будет втекать ток резистора R1, I = (Vcc — 1,4)/R1, 1,4 В — сумма падений напряжений на прямосмешённом эмиттерном переходе VT2 и прямосмещённом коллекторном переходе VT1, при этом VT2 переходит в состояние насыщения, его коллекторный потенциал становится близок к нулю (логический 0).
Таким образом, на выходе будет логический 0 только если все входы имеют состояние логической 1, это соответствует логической функции И-НЕ.
ТТЛ-логика имеет повышенное, по сравнению с ДТЛ-логикой быстродействие, даже если используемые транзисторы имеют равное быстродействие. Это обусловлено тем, что при переходе выхода из состояния логического нуля в логическую 1 транзистор выходит из насыщения, неосновные носители, накопленные в базе VT2 не только самопроизвольно рассасываются, но и стекают в коллектор насыщенного VT1 (как было ранее сказано, его потенциал близок к нулю). Типовая задержка на элемент ранних серий ТТЛ-микросхем около 22 нс.
Некоторые микросхемы в каждой серии ТТЛ изготавливаются без резистора R2 (справа), на выход выведен коллектор VT2, так называемые элементы с «открытым коллектором». Группу таких выходов можно электрически соединить, снабдив единственным внешним резистором, другим концом присоединённом к Vcc. Это позволяет расширить логическую функциональность логической схемы, такое соединение иногда называют «проводным ИЛИ». На электрических принципиальных схемах в условном обозначении элементов с открытым коллектором 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.
Транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ)
В ТТЛШ используются диоды 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).
6. Схемотехника ЭСЛ.
Эми́ттерно-свя́занная ло́гика (ЭСЛ, ECL) — способ построения логических элементов на основе дифференциальных транзисторных каскадов. ЭСЛ является самой быстродействующей из всех типов логики, построенной на биполярных транзисторах. Это объясняется тем, что транзисторы в ЭСЛ работают в линейном режиме, не переходя в режим насыщения, выход из которого замедлен. Низкие значения логических перепадов в ЭСЛ-логике способствуют снижению влияния на быстродействие паразитных ёмкостей[1].
Основная деталь ЭСЛ-логики — схема потенциального сравнения, собранная не на диодах (как в ДТЛ), а на транзисторах. Схема представляет собой транзисторы, соединённые эмиттерами и подключенные к корпусу (или питанию) через резистор. При этом транзистор, у которого напряжение на базе выше, пропускает через себя основной ток. Как правило, один транзистор в схеме сравнения подключен к опорному уровню, равному напряжению логического порога, а остальные транзисторы являются входами. Выходные цепи схемы сравнения поступают на усилительные транзисторы, а с них — на выходные эмиттерные повторители.
Особенностью ЭСЛ является повышенные скорость (150 МГц уже в первых образцах 60-х годов и 0,5…2 ГГц в 70—80-х) и энергопотребление по сравнению с ТТЛ иКМОП (на низких частотах, на высоких — примерно равное), низкая помехоустойчивость, низкая степень интеграции (ограниченная, в частности, большой потребляемой мощностью каждого элемента, что не позволяет разместить в одном корпусе много элементов, так как это приведёт к перегреву) и как следствие — высокая стоимость.
ЭСЛ была изобретена в августе 1956 года инженером IBM Хэноном Йорком (англ. Hannon S. Yourke)[3][4]. Первоначально имела название «управляемая током логика», применялась в компьютерах Stretch, IBM 7090, и IBM 7094[2]. Также использовалось название схема токового режима[5].
Переключатель тока Йорка представлял собой дифференциальный усилитель, в котором входные логические уровни сигналов отличались от выходных[5]. В схеме Йорка отличие опорных уровней напряжения составляло 3 вольта. В связи с этим использовались две взаимодополняющих версии логических элементов: NPN и PNP. Выход NPN версии мог управлять входами PNP версии и наоборот. Недостатками схемы являлись использование дополнительных источников напряжения и использование как PNP, так и NPN транзисторов[2].
Позже, вместо чередования NPN и PNP версий логических элементов, был предложен метод с использованием стабилитронов и резисторов для сдвига выходных логических уровней к значениям входных логических уровней[5].
С появлением цифровых интегральных микросхем ЭСЛ логики для сдвига выходных логических уровней стал использоваться эмиттерный повторитель, также обеспечивающий повышение коэффициента разветвления.
Первая серия микросхем ЭСЛ логики, MECL I, была представлена фирмой Motorola в 1962 году[6]. Motorola разработала улучшенные серии MECL II в 1966 году и MECL III в 1968 году. MECL III обладала задержкой распространения сигнала в 1 наносекунду и частотой переключения триггеров до 500 МГц. В 1971 году выпущена серия 10000 с пониженным энергопотреблением и быстродействием[6].
Высокое энергопотребление ЭСЛ ограничило ее применение только в схемах, где было важно максимальное быстродействие. ЭСЛ применялась в мейнфреймах IBM серии IBM System/390[7], суперкомпьютере Cray-1[8], первом поколении мейнфреймов Amdahl, ЕС ЭВМ ряда 2, ЭВМ «Эльбрус-2».
