Что такое TTL?
TTL, или транзистор-транзисторная логика, — это тип цифровой схемы, в которой для создания логических вентилей используется технология биполярных транзисторов. TTL широко используется в электронике, особенно в проектировании цифровых схем, поскольку она быстрая и надежная. Кроме того, логика TTL относительно проста для понимания и проектирования, что делает ее популярным выбором как для любителей, так и для профессионалов.
Например, простая логическая схема TTL может использоваться для управления работой двигателя в роботизированной руке. Логическая схема TTL будет получать входные данные от датчиков, которые определяют положение манипулятора, а затем использовать транзисторы для управления потоком тока к двигателю, заставляя его двигаться в нужном направлении. Этот тип схемы может быть спроектирован с использованием матрицы логических элементов TTL, которая представляет собой набор заранее спроектированных логических элементов TTL, которые можно комбинировать для создания более сложных схем.
Как работает TTL?
Транзистор-транзисторная логика (TTL) — это популярная семейство цифровых логических схем, в которых для реализации различных логических функций используются биполярные транзисторы (BJT). TTL работает на основе концепции переключения между двумя уровнями напряжения, обычно называемыми «высоким» и «низким» или состояниями «1» и «0».
Основным строительным блоком TTL является транзистор, который используется в качестве переключателя. В TTL существует два типа логических вентилей: вентили NAND и вентили NOR. Эти вентили формируются путем соединения нескольких транзисторов в определенной конфигурации.
Рассмотрим простой пример логического элемента NAND TTL, чтобы понять, как работает TTL. Логический элемент NAND имеет несколько входов и один выход. Выход логического элемента NAND находится в высоком состоянии (логическая 1) только тогда, когда все его входы находятся в низком состоянии (логическая 0). В противном случае выход находится в низком состоянии (логическая 0).
В TTL элемент NAND реализуется с помощью транзисторов. В частности, он использует несколько транзисторов в конфигурации, известной как транзисторная сеть. Конкретное расположение транзисторов позволяет элементу выполнять желаемую логическую функцию.
Вот упрощенное представление TTL-элемента NAND:
В этом представлении A и B являются входами, а Output — результирующим выходом. Каждый вход (A и B) подключен к базе транзистора. Эмиттеры транзисторов подключены к земле (0 В), а коллектор каждого транзистора подключен к выходу.
Когда входы A и B находятся в состоянии логического 1 (высокий уровень), ток протекает через базово-эмиттерный переход транзисторов, включая их. Это создает путь с низким сопротивлением от коллектора к эмиттеру, эффективно соединяя выход с землей (логический 0).
И наоборот, если вход A или B (или оба) находится в логическом состоянии 0 (низком), ток не протекает через базово-эмиттерные переходы транзисторов, и они остаются выключенными. Это предотвращает подключение выхода к земле и позволяет ему оставаться в логическом состоянии 1 (высоком).
Таким образом, выход элемента NAND находится в высоком состоянии (логическая 1) только тогда, когда все входы находятся в низком состоянии (логическая 0). В противном случае выход находится в низком состоянии (логическая 0).
TTL-врата обычно соединяются между собой для создания более сложных цифровых схем, таких как сумматоры, мультиплексоры и триггеры, что позволяет реализовывать различные вычислительные задачи в электронных системах.
Важно отметить, что, хотя TTL широко использовался в прошлом, в настоящее время он в значительной степени заменен другими семействами логических элементов, такими как CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), которые имеют преимущества с точки зрения энергопотребления и плотности интеграции.
Как использовать схему TTL?
Существуют следующие типы TTL:
- Стандартная схема TTL
- Быстрая схема TTL
- Схема Шоттки TTL
- Схема TTL высокой мощности
- TTL-схема с низким энергопотреблением
- Усовершенствованная схема Шоттки TTL
Стандартная схема TTL
На приведенной ниже схеме показана внутренняя структура и характеристики стандартного TTL-элемента NAND. Элемент NAND является четырехполюсным элементом с двумя входами. Имеется четыре схемы 5400/740. Проще говоря, этот тип TTL-схемы работает следующим образом.
Q1, показанный на схеме, представляет собой NPN-транзистор с двумя эмиттерами. Этот тип NAND-врата аналогичен двум транзисторам, у которых выводы базы и эмиттера соединены между собой. Диоды D2 и D3 используются для ограничения входного напряжения, которое по своей природе является отрицательным.
Схема TTL с низким энергопотреблением
Схема TTL с низким энергопотреблением обеспечивает низкое энергопотребление и рассеивание. Хотя скорость выполнения операций снижается. На рисунке выше показана схема TTL с низким энергопотреблением, выполненная с использованием элементов AND. Используемый здесь элемент NAND относится к типу 74L00 или 54L00. Структура этого типа TTL практически аналогична структуре стандартного TTL, за исключением более высокого значения сопротивления. Благодаря увеличенному значению сопротивления снижается рассеиваемая мощность схемы.
Схема TTL высокой мощности
В отличие от TTL малой мощности, TTL высокой мощности является высокоскоростной версией стандартного TTL. Этот тип TTL работает быстрее, чем описанный ранее. Он потребляет больше энергии, чем другие типы TTL, описанные ранее. На рисунке ниже показан высокомощный TTL-элемент NAND. Элементы NAND представляют собой четырехканальные двухвходовые элементы типа 74H00 или 54H00. Они очень похожи на стандартные TTL, за исключением того, что комбинация транзистора Q3 и диода D1 заменена комбинацией Q3, Q5 и R5. Этот тип TTL работает с более высокой скоростью и потребляет больше энергии.
Схема Шоттки TTL
Схема Шоттки TTL используется для ускорения времени работы. Этот тип TTL обеспечивает в два раза большую скорость, чем TTL высокой мощности. Потребление энергии одинаково для обоих TTL, без дополнительного потребления энергии. На рисунке ниже представлена базовая схема Шоттки TTL на основе NAND.
Схема очень похожа на схему TTL высокой мощности, здесь отсутствует транзистор Q TTL высокой мощности. Транзистор Шоттки, используемый для этого типа TTL, представляет собой биполярный транзистор, база и коллектор которого соединены диодом Шоттки.
Плюсы и минусы TTL
Плюсы:
— Логика TTL проста и понятна
.- Имеет высокую скорость переключения благодаря низкой задержке распространения сигнала.
— TTL может работать в широком диапазоне температур и напряжений
.- Обеспечивает помехоустойчивость благодаря использованию комплементарных транзисторов.
— Имеет низкое энергопотребление по сравнению с другими семействами логических схем.
— TTL может легко взаимодействовать с другими семействами логических схем.
Недостатки:
— Потребление энергии увеличивается с увеличением количества подключенных вентилей.
— Уровни выходного напряжения ограничены, обычно от 0 до 5 вольт.
— Вентили TTL не очень эффективны при управлении емкостными нагрузками.
— Выходной ток ограничен, что может быть проблемой при управлении некоторыми нагрузками.
— Требует более высокого напряжения питания по сравнению с другими семействами логических схем, что может привести к проблемам с рассеиванием тепла.
— TTL не подходит для высокоскоростных приложений, где требуются очень низкие задержки распространения.
