Was ist TTL?
TTL (Transistor-Transistor-Logik) ist eine Art von digitalem Schaltungsdesign, bei dem bipolare Transistoren zur Erstellung von Logikgattern verwendet werden. TTL wird häufig in der Elektronik eingesetzt, insbesondere beim Design digitaler Schaltungen, da es schnell und zuverlässig ist. Außerdem ist TTL-Logik relativ leicht zu verstehen und zu entwerfen, was sie zu einer beliebten Wahl für Hobbybastler und Profis gleichermaßen macht.
Eine einfache TTL-Logikschaltung könnte beispielsweise zur Steuerung des Betriebs eines Motors in einem Roboterarm verwendet werden. Die TTL-Logikschaltung würde Eingaben von Sensoren empfangen, die die Position des Arms erfassen, und dann mithilfe von Transistoren den Stromfluss zum Motor steuern, sodass dieser sich in die gewünschte Richtung bewegt. Diese Art von Schaltung kann mit einem TTL-Logikgatterarray entworfen werden, einer Sammlung vorgefertigter TTL-Logikgatter, die zu komplexeren Schaltungen kombiniert werden können.
Wie funktioniert TTL?
Transistor-Transistor-Logik (TTL) ist eine beliebte digitale Logikfamilie, die bipolare Transistoren (BJTs) verwendet, um verschiedene Logikfunktionen zu implementieren. TTL basiert auf dem Konzept des Umschaltens zwischen zwei Spannungspegeln, die typischerweise als „High”- und „Low”- oder „1”- und „0”-Zustände bezeichnet werden.
Der Grundbaustein von TTL ist der Transistor, der als Schalter verwendet wird. In TTL gibt es zwei Arten von Logikgattern: NAND-Gatter und NOR-Gatter. Diese Gatter werden durch die Verbindung mehrerer Transistoren in einer bestimmten Anordnung gebildet.
Betrachten wir ein einfaches Beispiel eines TTL-NAND-Gatters, um zu verstehen, wie TTL funktioniert. Ein NAND-Gatter hat mehrere Eingänge und einen einzigen Ausgang. Der Ausgang des NAND-Gatters ist nur dann hoch (logisch 1), wenn alle seine Eingänge niedrig (logisch 0) sind. Andernfalls ist der Ausgang niedrig (logisch 0).
In TTL wird ein NAND-Gatter mit Transistoren implementiert. Genauer gesagt werden mehrere Transistoren in einer Konfiguration verwendet, die als Transistornetzwerk bezeichnet wird. Durch die spezifische Anordnung der Transistoren kann das Gatter die gewünschte Logikfunktion ausführen.
Hier ist eine vereinfachte Darstellung eines TTL-NAND-Gatters:
In dieser Darstellung sind A und B die Eingänge und der Ausgang ist das Ergebnis. Jeder Eingang (A und B) ist mit der Basis eines Transistors verbunden. Die Emitter der Transistoren sind mit Masse (0 V) verbunden, und der Kollektor jedes Transistors ist mit dem Ausgang verbunden.
Wenn die Eingänge A und B beide auf logisch 1 (hoch) stehen, fließt ein Strom durch den Basis-Emitter-Übergang der Transistoren und schaltet diese ein. Dadurch entsteht ein niederohmiger Pfad vom Kollektor zum Emitter, der den Ausgang effektiv mit Masse (logisch 0) verbindet.
Umgekehrt fließt kein Strom durch die Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren, wenn entweder Eingang A oder B (oder beide) auf logisch 0 (niedrig) stehen, wodurch sie ausgeschaltet bleiben. Dadurch wird verhindert, dass der Ausgang mit Masse verbunden wird, und er bleibt auf logisch 1 (hoch).
Daher ist der Ausgang des NAND-Gatters nur dann hoch (logisch 1), wenn alle Eingänge niedrig (logisch 0) sind. Andernfalls ist der Ausgang niedrig (logisch 0).
TTL-Gatter werden in der Regel miteinander verbunden, um komplexere digitale Schaltungen wie Addierer, Multiplexer und Flipflops zu erstellen, wodurch die Implementierung verschiedener Rechenaufgaben in elektronischen Systemen ermöglicht wird.
Es ist wichtig zu beachten, dass TTL in der Vergangenheit zwar weit verbreitet war, heute jedoch weitgehend durch andere Logikfamilien wie CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) ersetzt wurde, die Vorteile in Bezug auf Stromverbrauch und Integrationsdichte bieten.
Wie verwendet man eine TTL-Schaltung?
Es gibt verschiedene Arten von TTL, wie folgt:
- Standard-TTL-Schaltung
- Schnelle TTL-Schaltung
- Schottky-TTL-Schaltung
- Hochleistungs-TTL-Schaltung
- TTL-Schaltung mit geringem Stromverbrauch
- Fortgeschrittene Schottky-TTL-Schaltung
Standard-TTL-Schaltung
Das folgende Diagramm zeigt den internen Aufbau und die Eigenschaften eines Standard-TTL-NAND-Gatters. Das NAND-Gatter ist ein Vierfach-Gatter mit zwei Eingängen. Es gibt vier 5400/740-Schaltungen. Vereinfacht gesagt funktioniert diese Art von TTL-Schaltung wie folgt.
Q1 in der Abbildung ist ein NPN-Transistor mit zwei Emittern. Diese Art von NAND-Gatter ähnelt zwei Transistoren, deren Basis- und Emitteranschlüsse miteinander verbunden sind. Die Dioden D2 und D3 dienen dazu, die von Natur aus negative Eingangsspannung zu begrenzen.
TTL-Schaltung mit geringem Stromverbrauch
TTL-Schaltungen mit geringem Stromverbrauch zeichnen sich durch einen niedrigen Stromverbrauch und eine geringe Verlustleistung aus. Allerdings ist die Geschwindigkeit, mit der Operationen ausgeführt werden, geringer. Das obige Bild zeigt eine TTL-Schaltung mit geringem Stromverbrauch, die aus UND-Gattern besteht. Das hier verwendete NAND-Gatter ist vom Typ 74L00 oder 54L00. Der Aufbau dieses TTL-Typs ähnelt weitgehend dem eines Standard-TTL, außer dass der Widerstandswert höher ist. Durch diesen erhöhten Widerstandswert wird die Verlustleistung der Schaltung reduziert.
Hochleistungs-TTL-Schaltung
Im Gegensatz zu Low-Power-TTL ist High-Power-TTL eine Hochgeschwindigkeitsversion von Standard-TTL. Dieser TTL-Typ läuft schneller als die zuvor beschriebenen. Er verbraucht mehr Strom als die anderen zuvor beschriebenen TTLs. Die folgende Abbildung zeigt ein Hochleistungs-TTL-NAND-Gatter. NAND-Gatter sind vierfache Zwei-Eingangs-Typen 74H00 oder 54H00. Sie sind dem Standard-TTL sehr ähnlich, außer dass die Kombination aus Q3-Transistor und D1-Diode durch eine Anordnung aus Q3, Q5 und R5 ersetzt wurde. Diese Art von TTL läuft mit einer höheren Geschwindigkeit und verbraucht mehr Strom.
Schottky-TTL-Schaltung
Eine Schottky-TTL-Schaltung wird verwendet, um die Betriebszeit zu verkürzen. Dieser TTL-Typ bietet die doppelte Geschwindigkeit von Hochleistungs-TTL. Der Stromverbrauch ist bei beiden TTL-Typen gleich, es entsteht kein zusätzlicher Stromverbrauch. Die folgende Abbildung zeigt ein grundlegendes NAND-basiertes Schottky-TTL-Diagramm.
Der Schaltplan ist dem Hochleistungs-TTL sehr ähnlich, nur fehlt hier der Q-Transistor des Hochleistungs-TTL. Der für diesen TTL-Typ verwendete Schottky-Transistor ist ein Bipolartransistor, dessen Basis und Kollektor durch eine Schottky-Diode verbunden sind.
Vor- und Nachteile von TTL
Vorteile:
– Die TTL-Logik ist einfach und leicht verständlich.
– Sie hat aufgrund
der geringen Ausbreitungsverzögerung eine schnelle Schaltgeschwindigkeit.– TTL kann in einem breiten Temperatur- und Spannungsbereich betrieben werden
.– Durch die Verwendung komplementärer Transistoren bietet sie eine hohe Störfestigkeit.
– Im Vergleich zu anderen Logikfamilien hat sie einen geringen Stromverbrauch.
– TTL lässt sich leicht mit anderen Logikfamilien verbinden.
Nachteile:
– Der Stromverbrauch steigt mit zunehmender Anzahl der angeschlossenen Gatter.
– Die Ausgangsspannungspegel sind begrenzt, typischerweise zwischen 0 und 5 Volt.
– TTL-Gatter sind beim Ansteuern kapazitiver Lasten nicht sehr effizient.
– Der Ausgangsstrom ist begrenzt, was beim Ansteuern einiger Lasten zu Problemen führen kann.
– Im Vergleich zu anderen Logikfamilien ist eine höhere Versorgungsspannung erforderlich, was zu Problemen bei der Wärmeableitung führen kann.
– TTL ist nicht für Hochgeschwindigkeitsanwendungen geeignet, bei denen sehr geringe Ausbreitungsverzögerungen erforderlich sind.
