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lógica transistor-transistor

La lógica transistor-transistor ( TTL ) es una familia lógica construida a partir de transistores de unión bipolar (BJT). Su nombre indica que los transistores realizan tanto la...

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La lógica transistor-transistor ( TTL ) es una familia lógica construida a partir de transistores de unión bipolar (BJT). Su nombre indica que los transistores realizan tanto la función lógica (el primer "transistor") como la función de amplificación (el segundo "transistor"), a diferencia de la lógica transistor-resistencia (RTL) y la lógica transistor-diodo (DTL) anteriores.

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 ]

Tras 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 alcanzó una popularidad particular. Los fabricantes de TTL ofrecían una amplia gama de puertas lógicas , biestables , contadores y otros circuitos. Las variaciones del diseño original del circuito TTL ofrecían mayor velocidad o menor disipación de potencia para optimizar el diseño. Los dispositivos TTL se fabricaban originalmente en encapsulados cerámicos y plásticos de doble línea (DIP) y en formato plano (flat-pack). Actualmente, algunos chips TTL también se fabrican en encapsulados de tecnología de montaje superficial (SMT ).

La lógica 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) dejaran obsoletos a los procesadores de múltiples chips, los dispositivos TTL siguieron utilizándose ampliamente como interfaz lógica de interconexión entre componentes más densamente integrados.

Historia

Un reloj en tiempo real construido con chips TTL alrededor de 1979.

Los primeros circuitos lógicos acoplados por transistores fueron descritos en 1962 por RH Beeson y HW Ruegg de Fairchild Semiconductor en “New Forms of All-Transistor Logic”, presentado en la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido del IEEE , donde el enfoque se denominó explícitamente lógica transistor-transistor (TTL o T²L). [ 2 ] Casi al mismo tiempo, en Pacific Semiconductor (posteriormente adquirida por TRW ), James L. Buie describió circuitos similares como lógica transistor acoplada por transistor (TCTL), distinguiéndolos de la lógica transistor acoplada por diodo ( DCTL ). [ 3 ]

Como resumió posteriormente el Museo de Historia de la Computación , estos desarrollos ocurrieron en paralelo en varias empresas a principios de la década de 1960. [ 4 ] En 1962, Gordon Moore , entonces en Fairchild, se refirió a este enfoque como T²L y señaló que, si bien era simple y muy adecuado para la integración, sufría de una inmunidad reducida al ruido y un "absorción de corriente", lo que limitaba el fan-in y el fan-out; agregar los componentes necesarios para corregir estas deficiencias redujo sus ventajas. [ 5 ] Posteriormente, Fairchild optó por la lógica de diodo-transistor como su siguiente familia de producción.

A mediados de la década de 1960, se utilizaba una amplia variedad de familias lógicas, incluidas RTL, RCTL, DCTL, LLL, CML y DTL, y TTL surgió como una familia adicional. [ 6 ]

El trabajo realizado en Sylvania bajo la dirección de Tom Longo perfeccionó la lógica acoplada a transistores hasta convertirla en una familia con soporte comercial, introducida en 1963 como la lógica universal de alto nivel de Sylvania (SUHL). [ 7 ] Las patentes para el diseño se solicitaron en mayo y junio de 1963. [ 8 ] [ 9 ] Los componentes de Sylvania se utilizaron en aplicaciones que incluían los controles del misil Phoenix . [ 7 ]

Texas Instruments estandarizó y popularizó posteriormente TTL con la serie 5400 en 1964 y la serie 7400 en 1966. [ 10 ] En una historia oral posterior, Tom Longo afirmó que la implementación inicial de la serie 54 de Texas Instruments siguió de cerca la configuración de circuito que había descrito públicamente en 1963, a la vez que diferenciaba sus productos mediante la reubicación de los pines de la fuente de alimentación en las esquinas del paquete, junto con el empaquetado, la reducción de costos y la escala de fabricación. [ 11 ] La familia 7400 de Texas Instruments se convirtió en un estándar de facto de la industria. Numerosas empresas de semiconductores fabricaron piezas compatibles, incluidas Motorola , AMD , Fairchild, Intel , National Semiconductor , Signetics , Siemens y otras, [ 12 ] [ 13 ] incluidos fabricantes en el Bloque del Este (Unión Soviética, RDA, Polonia, Checoslovaquia, Hungría y Rumania). Además de las implementaciones bipolares, posteriormente se produjeron piezas compatibles de la serie 7400 utilizando otras tecnologías de circuito. Al menos un fabricante importante, IBM , produjo circuitos TTL no compatibles para uso interno; IBM empleó tecnología TTL en sistemas como el IBM System/38 , el IBM 4300 y el IBM 3081. [ 14 ]

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 fecha de 2019) y se utilizó ampliamente hasta finales de los 90. El 74AS/ALS Advanced Schottky se introdujo en 1985. [ 15 ] A fecha de 2008, Texas Instruments continúa suministrando los chips de propósito general en numerosas familias de tecnología 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 abarcan desde unas pocas puertas lógicas hasta un bit-slice de microprocesador . El TTL también se volvió importante porque su bajo coste hizo que las técnicas digitales fueran económicamente viables para tareas que antes se realizaban con métodos analógicos. [ 16 ]

El Kenbak-1 , antecesor de los primeros ordenadores personales , utilizó TTL para su CPU en lugar de un chip microprocesador , que no estaba disponible en 1971. [ 17 ] El Datapoint 2200 de 1970 utilizó componentes TTL para su CPU y fue la base del 8008 y posteriormente del conjunto de instrucciones x86 . [ 18 ] Las estaciones de trabajo Xerox Alto de 1973 y Star de 1981 , que introdujeron la interfaz gráfica de usuario , utilizaron circuitos TTL integrados a nivel de unidades aritmético-lógicas (ALU) y bitslices, respectivamente. La mayoría de los ordenadores utilizaron " 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 utilizó lógica bipolar discreta para prototipar y emular microarquitecturas en desarrollo.

Implementación

Puerta TTL fundamental

Compuerta NAND TTL de dos entradas con una etapa de salida simple (simplificada)

La compuerta TTL básica es una estructura NAND implementada con un transistor de entrada de múltiples emisores seguido de una o más etapas de amplificación. [ 3 ] [ 19 ] En una compuerta NAND TTL de dos entradas, cada entrada corresponde a un emisor del transistor de múltiples emisores VT1. La salida se toma del colector del transistor VT2 siguiente.

Todas las entradas están en nivel alto (1 lógico). Cuando ambas entradas están en nivel alto, las uniones emisor-base de VT1 están polarizadas inversamente. VT1 opera en su modo activo inverso . La resistencia de polarización suministra corriente a la base de VT1; debido a que la ganancia de corriente inversa de VT1 es pequeña, fluye poca corriente a través de sus emisores. En consecuencia, la corriente de base de VT1 fluye casi por completo a través de su colector. Esta corriente de colector se convierte en la corriente de base de VT2, lo que provoca que VT2 conduzca y fuerza la salida a nivel bajo (0 lógico).

Una entrada es baja (nivel lógico 0). Si cualquiera de las entradas se pone a nivel bajo, la unión emisor-base correspondiente de VT1 se polariza directamente. VT1 opera entonces en su modo activo normal, y la corriente de base se desvía a través de la entrada baja en lugar de a través del colector. Al haber poca o ninguna corriente de colector disponible para controlar VT2, el transistor VT2 se desactiva y la salida sube a un nivel alto (nivel lógico 1).

Unlike diode–transistor logic (DTL), where the input network consists only of diodes, the TTL input transistor VT1 actively participates in switching. During transitions, VT1 can remove stored charge from VT2, reducing storage time and contributing to the higher switching speed of TTL compared with DTL.[19]

The main disadvantage of TTL with a simple output stage is the relatively high output resistance at output logical "1" that is completely determined by the output collector resistor. It limits the number of inputs that can be connected (the fanout). Some advantage of the simple output stage is the high voltage level (up to VCC) of the output logical "1" when the output is not loaded.

Open collector wired logic

A common variation omits the collector resistor of the output transistor, making an open-collector output. This allows the designer to fabricate wired logic by connecting the open-collector outputs of several logic gates together and providing a single external pull-up resistor. If any of the logic gates becomes logic low (transistor conducting), the combined output will be low. Examples of this type of gate are the 7401[20] and 7403[21] series. Open-collector outputs of some gates have a higher maximum voltage, such as 15 V for the 7426,[22] useful when driving non-TTL loads.

A TTL and-or-invert gate with totem-pole output

And-Or-Invert (AOI) implementation in TTL (7450 example)

TTL families also include complex gates implemented directly in transistor form rather than by cascading simpler gates. An example is the 7450 dual 2-wide, 2-input AND-OR-INVERT (AOI) gate.[23][24] Each product term is formed by a multiple-emitter input transistor. In the 7450, one transistor implements the term A·B and another implements C·D. Each drives its own phase-splitter transistor. The collectors of the phase-splitter transistors are connected together, and their emitters are likewise connected together. These shared nodes perform the OR function: if either product term is asserted, the corresponding phase splitter conducts and forces the shared nodes to switch state. The output stage inverts this result, yielding

X=(AB+CD)¯{\displaystyle X={\overline {(AB+CD)}}}

Las estructuras de este tipo son fundamentales en el diseño de lógica digital porque muchas funciones combinacionales se expresan naturalmente como sumas de productos. La implementación directa de la función AND-OR-INVERT reduce el número de compuertas y el retardo de propagación en comparación con la conexión en cascada de etapas NAND y NOR separadas, y dichas compuertas complejas se convirtieron en bloques de construcción comunes en las familias lógicas de MSI. [ 25 ]

Etapa de salida tipo tótem

En las familias TTL estándar, la etapa divisora ​​de fase controla una salida tipo tótem (push-pull) que consta de un transistor pull-down activo y un transistor pull-up seguidor de emisor, junto con un diodo de control que limita la conducción simultánea durante la conmutación. Cuando el transistor pull-down se satura, la salida es baja. Cuando se corta, el transistor superior funciona como seguidor de emisor, produciendo un nivel de salida alto con baja impedancia. El diodo D1 y la resistencia en serie R4 limitan la corriente transitoria durante la conmutación y reducen la corriente de cortocircuito entre los rieles de alimentación. [ 26 ]

Una desventaja de la etapa de salida tipo "tótem" es la disminución del nivel de voltaje (típicamente 3,5 V) de la salida lógica "1" (incluso si la salida no está cargada). Las razones de esta reducción son las caídas de voltaje en las uniones base-emisor de Q5 y ​​ánodo-cátodo de D1.

Consideraciones de interfaz

Al igual que DTL, TTL es una lógica de absorción de corriente, ya que se debe extraer una corriente de las entradas para llevarlas a un nivel de voltaje lógico 0. La etapa de control debe absorber hasta 1,6 mA de una entrada TTL estándar sin permitir que el voltaje supere los 0,4 voltios. [ 27 ] La etapa de salida de las compuertas TTL más comunes está diseñada para funcionar correctamente al controlar hasta 10 etapas de entrada estándar (un factor de ramificación de 10). En ocasiones, las entradas TTL se dejan simplemente flotando para proporcionar un "1" lógico, aunque este uso no se recomienda. [ 28 ]

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), [ 29 ] [ 30 ] y si se envía una señal de voltaje que oscila entre 0,8  V y 2,0  V a la entrada de una puerta TTL, no hay una respuesta determinada de la puerta y, por lo tanto, se considera "incierta" (los niveles lógicos precisos varían ligeramente entre subtipos y con la temperatura). Las salidas TTL suelen estar restringidas a límites más estrechos de entre 0,0  V y 0,4  V para una "baja" y entre 2,4  V y V CC para una "alta", proporcionando 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 coste, asegurando así la compatibilidad. Dos placas de circuito impreso de la misma línea de montaje, fabricadas en días o semanas consecutivas, podrían presentar una combinación distinta de marcas de chips en las mismas posiciones. Es posible repararlas con chips fabricados años después de los componentes originales. Dentro de límites suficientemente amplios, las compuertas lógicas pueden considerarse 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 de control; es decir, se requiere una gran cantidad de potencia de ruido superpuesta a la salida para llevar una entrada a una región indefinida.

En algunos casos (por ejemplo, cuando se necesita usar la salida de una puerta lógica TTL para controlar la entrada de una puerta CMOS), el nivel de voltaje de la etapa de salida "totem-pole" en la salida lógica "1" se puede aumentar para que se acerque a V CC conectando una resistencia externa entre el colector de V4 y el riel positivo. Esto eleva el cátodo de V5 y corta el diodo. [ 31 ] Sin embargo, esta técnica convierte la sofisticada salida "totem-pole" en una etapa de salida simple con una resistencia de salida significativa al controlar un nivel alto (determinado por la resistencia externa).

Embalaje

Al igual que la mayoría de los circuitos integrados del período 1963-1990, los dispositivos TTL comerciales suelen venir en encapsulados DIP ( Dual In-line Packages ), generalmente con 14 a 24 pines, [ 32 ] para montaje en orificio pasante o zócalo. Los encapsulados de plástico epoxi (PDIP) se usaban a menudo para componentes de rango de temperatura comercial, mientras que los encapsulados cerámicos (CDIP) se usaban para componentes de rango de temperatura militar.

Beam-lead chip dies without packages were made for assembly into larger arrays as hybrid integrated circuits. Parts for military and aerospace applications were packaged in flatpacks, a form of surface-mount package, with leads suitable for welding or soldering to printed circuit boards. Today, many TTL-compatible devices are available in surface-mount packages, which are available in a wider array of types than through-hole packages.

TTL is particularly well suited to bipolar integrated circuits because additional inputs to a gate merely required additional emitters on a shared base region of the input transistor. If individually packaged transistors were used, the cost of all the transistors would discourage one from using such an input structure. But in an integrated circuit, the additional emitters for extra gate inputs add only a small area.

At least one computer manufacturer, IBM, built its own flip chip integrated circuits with TTL; these chips were mounted on ceramic multi-chip modules.[33][34]

Comparison with other logic families

TTL devices consume substantially more power than equivalent CMOS devices at rest, but power consumption does not increase with clock speed as rapidly as for CMOS devices.[35] Compared to contemporary ECL circuits, TTL uses less power and has easier design rules but is substantially slower. Designers can combine ECL and TTL devices in the same system to achieve best overall performance and economy, but level-shifting devices are required between the two logic families. TTL is less sensitive to damage from electrostatic discharge than early CMOS devices.

Due to the output structure of TTL devices, the output impedance is asymmetrical between the high and low state, making them unsuitable for driving transmission lines. This drawback is usually overcome by buffering the outputs with special line-driver devices where signals need to be sent through cables. ECL, by virtue of its symmetric low-impedance output structure, does not have this drawback.

The TTL "totem-pole" output structure often has a momentary overlap when both the upper and lower transistors are conducting, resulting in a substantial pulse of current drawn from the power supply. These pulses can couple in unexpected ways between multiple integrated circuit packages, resulting in reduced noise margin and lower performance. TTL systems usually have a decoupling capacitor for every one or two IC packages, so that a current pulse from one TTL chip does not momentarily reduce the supply voltage to another.

Desde mediados de la década de 1980, varios fabricantes ofrecen equivalentes lógicos CMOS con niveles de entrada y salida compatibles con TTL, generalmente con números de pieza similares a los del componente TTL equivalente y con la misma configuración de pines . Por ejemplo, la serie 74HCT00 ofrece numerosos reemplazos directos para los componentes bipolares de la serie 7400 , pero utiliza tecnología CMOS . (La "T" en "HCT" significa "compatible con TTL". La serie 74HC00, relacionada con esta, también utiliza tecnología CMOS, pero no es compatible con TTL).

Subtipos

Las sucesivas generaciones de tecnología produjeron componentes compatibles con un consumo de energía o una velocidad de conmutación mejorados, o ambos. Aunque los proveedores comercializaban 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 . [ 36 ]

Las variantes 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 potencia-retardo (PDP) o energía de conmutación de aproximadamente 100 pJ , incluyen:

  • La lógica TTL de baja potencia (L) sacrificaba la velocidad de conmutación (33 ns) a cambio de una reducción en el consumo de energía (1  mW) (actualmente reemplazada esencialmente por la lógica CMOS ).
  • TTL de alta velocidad (H), con conmutación más rápida que el TTL estándar (6 ns) pero con una disipación de potencia significativamente mayor (22  mW).
  • La tecnología Schottky TTL (S), introducida en 1969, utilizaba diodos Schottky como reguladores en las entradas de puerta para evitar el almacenamiento de carga y mejorar el tiempo de conmutación. Estas puertas operaban más rápidamente (3 ns), pero tenían una mayor disipación de potencia (19  mW).
  • TTL Schottky de baja potencia (LS): utilizaba los valores de resistencia más altos de la TTL de baja potencia y los diodos Schottky para proporcionar una buena combinación de velocidad (9,5  ns) y consumo de energía reducido (2  mW), con un PDP de aproximadamente 20 pJ. Probablemente el tipo de TTL más común, se utilizaba como lógica de interconexión en microordenadores, reemplazando esencialmente a las subfamilias H, L y S anteriores.
  • Variantes rápidas (F) y Schottky avanzadas (AS) de LS de Fairchild y TI, respectivamente, alrededor de 1985, con circuitos " Miller Killer" para acelerar la transición de bajo a alto. Estas familias lograron PDP de 10 pJ y 4 pJ, respectivamente, los más bajos de todas las familias TTL.
  • TTL de bajo voltaje (LVTTL) para fuentes de alimentación de 3,3 voltios e interfaz de memoria, un nivel de voltaje compatible con LVCMOS .

La mayoría de los fabricantes ofrecen rangos de temperatura comerciales y extendidos: por ejemplo, los componentes de la serie 7400 de Texas Instruments tienen una clasificación de 0 a 70  °C, y los dispositivos de la serie 5400 abarcan el rango de temperatura de especificación militar de -55 a +125  °C.

Para aplicaciones militares y aeroespaciales, se encuentran disponibles componentes de alta fiabilidad y con niveles de calidad especiales.

Para aplicaciones espaciales se ofrecen dispositivos resistentes a la radiación (por ejemplo, de la serie SNJ54).

Aplicaciones

Antes de la llegada de los dispositivos VLSI , los circuitos integrados TTL eran un método de construcción estándar para los procesadores de minicomputadoras y mainframes de gama media , como el DEC VAX y el 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 gama alta utilizaban lógica acoplada por emisor . También se empleaban en equipos como controles numéricos de máquinas herramienta, impresoras y terminales de visualización de video, y a medida que los microprocesadores se volvieron más funcionales, en aplicaciones de "lógica de interconexión", como decodificadores de direcciones y controladores de bus, que conectan los bloques de funciones implementados en elementos VLSI. El Gigatron TTL es un ejemplo más reciente (2018) de un procesador construido completamente con circuitos integrados TTL.

Aplicaciones analógicas

Aunque originalmente se diseñó para manejar señales digitales de nivel lógico, un inversor TTL puede polarizarse como un amplificador analógico. Conectando una resistencia entre la salida y la entrada, el elemento TTL se polariza como un amplificador de retroalimentación negativa . Estos amplificadores pueden ser útiles para convertir señales analógicas al dominio digital, pero normalmente no se usarían donde la amplificación analógica sea el objetivo principal. [ 37 ] Los inversores TTL también pueden usarse en osciladores de cristal donde su capacidad de amplificación analógica es significativa.

Una puerta lógica TTL puede funcionar inadvertidamente como un amplificador analógico si la entrada se conecta a una señal de entrada de variación lenta que recorre la región no especificada de 0,8  V a 2  V. La salida puede ser errática cuando la entrada se encuentra en este rango. Una entrada de variación lenta como esta también puede causar una disipación de potencia excesiva en el circuito de salida. Si es necesario utilizar una entrada analógica de este tipo, existen componentes TTL especializados con entradas de disparador Schmitt que convierten de forma fiable la entrada analógica a un valor digital, funcionando efectivamente como un convertidor analógico-digital de un bit.

Señalización en serie

La comunicación serial TTL se refiere a la comunicación serial de un solo extremo que utiliza niveles de voltaje de transistor sin procesar: "bajo" para 0 y "alto" para 1. [ 38 ] La UART sobre serial TTL es una interfaz de depuración común para dispositivos embebidos. Los dispositivos portátiles como calculadoras gráficas y receptores GPS y sondas de pesca compatibles con NMEA 0183 también suelen usar UART con TTL. La comunicación serial TTL es solo un estándar de facto : no existen directrices eléctricas estrictas. Los módulos controlador - receptor sirven de interfaz entre TTL y estándares seriales de mayor alcance: un ejemplo es el MAX232 , que convierte desde y hacia RS-232 . [ 39 ]

TTL diferencial es una transmisión serie TTL a través de un par diferencial con niveles complementarios, lo que proporciona una tolerancia al ruido mucho mayor. Tanto las señales RS-422 como las RS-485 pueden generarse utilizando niveles TTL. [ 40 ]

ccTalk se basa en niveles de voltaje TTL.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Eren, H. (2003), Instrumentos electrónicos portátiles: diseño y aplicaciones , CRC Press, ISBN 0-8493-1998-6
  2. ↑ Beeson, RH; Ruegg, HW (1962). "Nuevas formas de lógica totalmente transistorizada" . IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers : 10–11 . doi : 10.1109/ISSCC.1962.1157368 .
  3. 1 2 US 3283170 , Buie, James L., "Acoplamiento de lógica de transistores y otros circuitos", emitido el 1 de noviembre de 1966, asignado a TRW Semiconductors, Inc. 
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  9. ↑ US3416049A , Bohn, Richard E. y Sirrine, Richard C., "Resistencias de polarización integradas para circuitos micrológicos", publicado el 10 de diciembre de 1968. 
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Lecturas adicionales

  • Lecciones de circuitos eléctricos - Volumen IV - Digital ; Tony Kuphaldt; Proyecto Libro Abierto; 508 páginas; 2007. (Capítulo 3: Puertas lógicas)
  • Fairchild Semiconductor. Introducción y comparación de la lógica CMOS compatible con TTL 74HCT (Nota de aplicación 368). 1984. (Para la sensibilidad relativa a ESD de TTL y CMOS).
  • Notas de aplicación de la familia lógica de Texas Instruments