A tranzisztor–tranzisztor logika (TTL) bipoláris tranzisztorokból felépülő logika. Az első tranzisztor végzi benne a logikai funkciót, a második erősít, szemben a korábbi ellenállás–tranzisztor és dióda–tranzisztor logikával.
A TTL integrált áramköröket gyakran használták számítógépekben, ipari irányítókban, teszteszközökben, egyszerű elektronikában és szintetizátorokban.
Miután a Sylvania Electric Products 1963-ban bemutatta, a TTL integrált áramköröket számos félvezetőcég gyártotta. A Texas Instruments 7400-as sorozata különösen népszerű volt. A TTL-gyártók számos logikai kaput, flipflopot, számlálót és más áramkört gyártottak. Az eredeti TTL később nagyobb sebességet és/vagy kisebb fogyasztású változatokban is készült, lehetővé téve az optimalizációt. Eredetileg kerámia vagy műanyag DIP tokban, illetve katonai flatpack tokban készültek. Egyes TTL csipek felületszerelt (SMD) tokban is elérhetőek.
A TTL lett a számítógépek és más digitális elektronika alapja. Még azután is használtak TTL eszközöket nagyobb integráltságú áramkörök logikai összekapcsolására, hogy a VLSI CMOS integrált áramkörös mikroprocesszorok a többcsipes processzorokat elavulttá tették.
Története bélyegkép|1979 körül készült valós idejű óra TTL csipekből
A TTL-t 1961-ben hozta létre a TRW dolgozója, James L. Buie melyet „az integrált áramkörök fejlődő technológiája számára megfelelőnek” tekintett. A TTL eredeti neve tranzisztorkapcsolt tranzisztoros logika (TCTL) volt. Az első integrált áramkörös kereskedelmi eszközöket 1963-ban a Sylvania kezdte gyártani, az eszközöket Sylvania Universal High-Level Logic családnak nevezte (SUHL). A Sylvania részeit használták fel a Phoenix rakéta irányításában. A TTL az elektronikai tervezésben azután vált népszerűvé, hogy a Texas Instruments bemutatta az 5400-as sorozatú IC-ket katonai szintű hőmérséklet-tartománnyal, melyet 1964-ben és a későbbi 7400-as sorozatban szűkített, 1966-ban műanyag csomagolással jelentek meg az áramkörei.
A Texas Instruments 7400 család ipari szabvánnyá vált. Ezzel kompatibilis áramköröket készített a Motorola, az AMD, a Fairchild, az Intel, az Intersil, a Signetics, a Mullard, a Siemens, az SGS-Thomson, a Rifa, a National Semiconductor és sok más cég; még a keleti blokkban is. Később a 7400-as sorozat áramköreit más technológiával is gyártani kezdték. Legalább egy gyártó, az IBM készített nem-kompatibilis TTL áramköröket belső használatra, melyet az IBM System/38-ban, az IBM 4300-ban és az IBM 3081-ben használt., p. 5.
A TTL fogalmat sok egymást követő bipolárislogika-generációra használták, melyek sebessége és energiaigénye fokozatosan javult mintegy 20 év alatt. A legújabb fejlesztésként bemutatott 74Fxx család még 2019-ben is kapható volt, és az 1990-es évek végéig gyakran használták. A 74AS/ALS Advanced Schottky 1985-ben jelent meg. 2008-as adatok szerint a Texas Instruments továbbra is gyártotta az általánosabb célúnak mondható csipeket számos régebbi technológiai családhoz, bár magasabb eladási árakon. Általában a TTL csipeken nincs több néhány száz tranzisztornál. Az egyes csipek funkcionalitása általában néhány logikai kaputól egy mikroprocesszor-bitszeletig terjed. A TTL azért is vált fontossá, mert alacsony költsége lehetővé tette a digitális technikák gazdasági megtérülését korábban analóg módon végzett feladatok esetén is.
A Kenbak-1, az első személyi számítógépek elődje TTL-t használt mikroprocesszor helyett, mely 1971-ben még nem volt elérhető. A Datapoint 2200 1970-től TTL komponenseket használt processzorában, ez volt a 8008 és az x86 utasításkészlet alapja. A grafikus felhasználói felülettel rendelkező 1973-as Xerox Alto és az 1981-es Star számítógépek is TTL áramköröket használtak ALU-k, illetve bitszeletek szintjén integrálva. A legtöbb számítógép TTL használt a nagyobb integráltságú csipek közötti összeköttetésre egészen az 1990-es évekig. A programozható logika megjelenéséig a TTL logikát használták fejlesztés alatti mikroarchitektúrák emulálására és prototípusaik elkészítésére.
Megvalósítás
TTL-alapkapu
A TTL alapkapu egy NAND kapu, mely egy többemitteres bipoláris tranzisztorral, és az ezt követő egy vagy több erősítőfokozattal kerül mnegvalósításra. Egy kétbemenetes TTL NAND kapu esetén például minden bemenet a VT1 többemitteres tranzisztor egy-egy emitterének felelnek meg, a kimenet pedig az ezt követő VT2 tranzisztor kollektorának.
Minden bemenet magas: ha a bemenetek feszültsége magas, a VT1 bázis–emitter diódái fordítottan vannak előfeszítve, így a tranzisztor fordított üzemben dolgozik. Mivel VT1 visszairányú erősítése alacsony, ezért majdnem az összes bázisáram a kollektoron keresztül folyik. Ez az áram aztán VT2 bekapcsolásával a kimenetet földre húzza (alacsony).
Ha egy bemenet alacsony: VT1 bázis-emitter diódája nyiróirányban van előfeszítve, VT1-en keresztül az áram tehát az emitter felé folyik. Ekkor a kollektoráram nem elegendő VT2 kinyitásához, így a kimenet R2-n keresztül magas szintre van húzva.
A DTL logikával szemben, ahol a bemeneti fokozat kizárólag diódákból áll, itt a bemeneti VT1 tranzisztor maga is részt vesz a kapcsolásban. Továbba, mivel állapotváltáskor VT1 segít a a VT2-ben tárolt töltések elszívásában , a kimenet atbillenése gyorsabban megtörténik, mint a DTL logika esetén, nagyobb kapcsolási sebességet téve lehetővé.
Az egyszerű kimenetű TTL fő hátránya a logikai "1" magas kimeneti ellenállása, melyet a kimeneti felhúzóellenállás határoz meg. Ez korlátozza az ezen kimenetről meghajtható bemenetek számát (fan-out). Előnye viszont, hogy a logikai "1" feszültsége viszonylag magas is tud lenni (legfeljebb ), ha a kimenet terheletlen.
Nyitott kollektoros logika Másik változatban a kimenetról hiányzik a felhúzóellenállás, mely így nyitott kollektorként kerül kivezetésre. Ez által lehetővé válik a közvetlen huzalozott logika építése: a nyitott kollektoros bemeneteket összekötve, egyetlen közös felhúzóellenállással -re húzva, bármely kimenet "0" állapota esetén a közös kimenet is "0" lesz. Erre a konstrukcióra példa a 7401-es ás a 7403-as áramkör. A nyitott kollektoros kimenetek tipikusan magasabb feszültségekkel (pl. a 7426-os áramkör esetében 15V) is működnek, lehetővé téve a nem TTL áramkörök meghajtását.
TTL „totem-pole” kimeneti állapottal bélyegkép|Egy szabályos TTL NAND „totem-pole" kimenettel a 7400 sorozatban
Az egyszerű kimenet magas kimeneti ellenállásának megoldására a második séma „totem-pole” (push-pull) kimenettel rendelkezik, mely a V3 és V4 n-p-n tranzisztorokból, a V5 „emelő diódából” áll és az R3 korlátozó ellenállásból áll az ábrának megfelelően. A fent említett áramirányítással működik.
Ha V2 kikapcsolt, akkor V4 is, és V3 az aktív régióban feszültségkövetőként működik magas kimeneti feszültséggel (logikai "1").
Ha V2 bekapcsolt, ez aktiválja V4-et is, alacsony feszültséget (logikai "0") adva a kimenetnek. Itt is áramirányítás van: V2 C–E és V4 B–E diódája párhuzamosan van kapcsolva V3 B–E, V5-tel és V4 C–E diódájával. A második kombináció feszültségküszöbe magasabb, így nem folyik át rajta áram, vagyis V3 alapárama megszűnik, így az kikapcsol és nem változtat a kimeneten.
Az átmenet közben az R3 ellenállás korlátozza a közvetlenül a V3 tranzisztoron, a V5 diódán és a V4 tranzisztoron áthaladó áramot, melyek mind vezetnek. Ezenkívül a kimeneti áramot is korlátozza logikai 1 esetén, és zárja a földeléssel való kapcsolatot. A kapu erőssége növelhető a fogyasztás arányos változtatása nélkül a fel- és lehúzó ellenállások kimenetből való eltávolításával.Transistor–Transistor Logic (TTL). siliconfareast.com. 2005. Retrieved 17 September 2008. p. 1.Tala, D. K. Digital Logic Gates Part-V. asic-world.com. 2006.
A „totem-pole” kimenetű TTL előnye az alacsony kimeneti ellenállás logikai "1" esetén. Ezt a V3 felső kimeneti tranzisztor határozza meg, mely emitterkövetőként működik az aktív régióban. Az R3 ellenállás nem növeli a kimeneti ellenállást, mivel a V3 kollektorához kötődik, befolyását a negatív visszacsatolás kompenzálja. Ezen elrendezés hátránya az alacsonyabb (legfeljebb 3,5 V) feszültségű logikai "1" még terheletlen kimenet esetén is, melynek oka a V3 bázis–emitter diódáján és a V5-ön történő feszültségesés.
Összekötés más áramkörökkel A DTL-hez hasonlóan a TTL is áram-nyelő logika, mivel a bemenetek terhelése szükséges azok azok "0"-vá alakításához. A meghajtó áramkörnek legalább1,6 mA-rrel szükséges terhelnie a bemenetet, miközben biztosítania kell, hogy a feszültség ne emelkedhessen 0,4V fölé.SN7400 datasheet - Texas Instruments A legtöbb TTL kapu kimenete legfeljebb 10 szabványos bemenet meghajtására képes(a fan-out 10). Néha a TTL bemeneteket lebegve hagyják, ekkor a logikai érték "1", azonban ez nem ajánlottt.
A szabványos TTL áramkörök 5 V-os áramforrással működnek. A TTL bemeneti jel „alacsony” a földhöz képesti 0 és 0,8 V feszültség közt, és „magas” 2 V és (5 V) közt, és 0,8–2 V közti bemeneti feszültség közt nincs egyértelmű válasz, így „bizonytalan”-nak tekintik. A TTL bemenetek esetén gyakran szűkebb korlátokat használnak (0–0,4 V a logikai 0-hoz, illetve 2,4 V és közti érték az 1-hez, legalább 0,4 V zajtűrést adva). A TTL szintek szabványosítása oly mértékű, hogy a komplex áramköri lapok gyakran számos eltérő gyártó által készített TTL csipeket tartalmaznak (az elérhetőség és a költségek figyelembe vételével), miközben a kompatibilitás biztosított. Két áramköri egység azonos gyártósoron különböző egymást követő napokban vagy hetekben eltérő márkájú csipeket tartalmazhat azonos helyeken egy áramkörben, és javítható több évvel az eredeti komponensek gyártása után készült elemekkel is. Megfelelően széles határok mellett a logikai kapuk ideális Boole-eszközöknek tekinthetők az elektronikai korlátoktól eltekintve. A 0,4 V-os zajtűrés megfelelő a kis kimeneti impedancia miatt, a bizonytalan régióba történő átbilletéshez meglehetősen nagy mértékű zaj szükséges.
Egyes esetekben, például ha a TTL kapu kimenetével egy CMOS kapu bemenetét szeretnénk meghajtani, a „totem-pole” kimenet logikai "1"-es feszültsége -hez közelebb hozható, ha külső felhúzóellenállást csatlakoztatunk a kimenet éps a közé. Ez azonban a a kimenetet egy jelentős ellenállású, alap TTL kimenetté változtatja logikai "1" esetén.
Tokozás Az 1963–1990 közti legtöbb integrált áramkörhöz hasonlóan a kereskedelmi TTL eszközöket általában 14-24 lábú, DIP tokozásban hozzák forgalomba, furatszerelséhez vagy foglalatba ültetéshez. Az epoxi (PDIP) tokozás gyakran normál, a kerámiát (CDIP) pedig katonai hőmérséklet-tartományú áramkörökhöz használták.
A tokozatlan „beam-leaded” csipek is elérhetőek votlak hibrid integrált áramkörökbe való beültstéshez. A katonai és légvédelmi célokra készült változatokat lapos „flatpack” tokozásban hozták forgalomba, felületszereléshez, lözvetlen a NYÁK lap felületére llehetett őket forrasztani vagy hegeszteni. Újabban sok TTL-kompatibilis eszköz kapható felületszerelt tokozásban, köztük olyan típusok is, melyek furatszerelt (DIP) változatban nem elérhetők.
A TTL rendkívül jól integrálható, mivel egy-egy bemenet hozzáadása mindössze egy-egy újabb emittert igényel. Diszkrét elemekből építkezve egy ilyen áramkör hamar kezelhetetlenné válna, integrált formában azonban a bemenetek számának növelése csak kis területet igényel.
Legalább egy számítógépgyártó, az IBM saját flip csip integrált áramkört gyártott TTL-lel, melyet kerámia többcsipes modulokra szerelt.
Összehasonlítás más logikákkal A TTL eszközök fogyasztása tétlen állapotban nagyobb az ugyanolyan CMOS eszközöknél, de a fogyasztás nem nő oly gyorsan az órajel függvényében, mint a CMOS esetén. A korabeli ECL áramköröknél a TTL fogyasztása kisebb, könnyebben tervezhető, de sokkal lassabb. Az ECL és a TTL kombinálható a legjobb teljesítményért és gazdaságosságért, de szintillesztő áramkörök szükségesek a két logika közé. A TTL kevésbé érzékeny a statikus elektromosság okozta károsodásra a korai CMOS eszközöknél.