DieTransistor-Transistor-Logik (TTL) ist eineSchaltungstechnik (Logikfamilie) für logische Schaltungen (Gatter), bei der als aktivesBauelement der Schaltungplanarenpn-Bipolartransistoren verwendet werden. Bei der N-Familie wird meist an verbundenen Eingängen einMultiemitter-Transistor eingesetzt, so dass für mehrere Eingänge nur einTransistor erforderlich ist; bei der LS-Familie sowie beiSchmitt-Trigger-Eingängen wird die AND-Verschaltung der Eingänge mittels Dioden realisiert.
Die TTL-Technik wurde 1961 von James L. Buie beiTRW entwickelt.[1] Die ersten kommerziellen Schaltungen produzierte die FirmaSylvania Electric Products.[2] 1965 war eine inShanghai mit derChinesischen Akademie der Wissenschaften hergestellte TTL-Schaltung der erste inChina gefertigteintegrierte Schaltkreis. Eine ebenfalls auf Bipolartransistoren basierende Weiterentwicklung mit geringerem Stromverbrauch stellt dieintegrierte Injektionslogik (I²L) dar.
Standard-TTL-Schaltungen sind für den Betrieb an einer Versorgungsspannung von 5 V mit einer Abweichung von 5 % ausgelegt.
Die Belastbarkeit der Ausgänge wird alsFan-Out bezeichnet, womit ausgedrückt wird, wie viele Eingänge ein Ausgang bedienen kann. Das ist für die typischen umfangreichen Logikschaltungen des TTL-Zeitalters von Bedeutung.
Eine hohe Spannung ist alsHigh-Pegel (inpositiver Logik eine logische 1) definiert, eine niedrige Spannung wird alsLow-Pegel bezeichnet (in positiver Logik eine logische 0). Die Schaltungen müssen so dimensioniert werden, dass Eingangsspannungen UE < 0,8 V alsLow-Pegel, und UE > 2,0 V alsHigh-Pegel erkannt werden. Die Ausgangsspannung UA bei nominaler Last muss < 0,4 V für denLow-Pegel und > 2,4 V für denHigh-Pegel betragen. Der statische Störabstand beträgt somit sowohl fürHigh- als auch fürLow-Pegel 0,4 V. Die tatsächliche Ausgangsspannung liegt lastabhängig zwischen gut 3 und knapp 4 V.
Logische Bausteine in TTL-Technik haben gegenüberCMOS-Bausteinen den Vorteil, dass sie unempfindlicher gegenüber elektrostatischen Entladungen (ESD) sind und vor den großen Fortschritten der CMOS-Prozesstechnik um 1980 deutlich schneller waren. Wegen der stromgesteuerten Transistoren hat TTL im Vergleich zu CMOS eine hohe Stromaufnahme.
Das nebenstehende Bild zeigt den Aufbau eines TTL-NAND-Gatters. V1 ist der Multiemitter-Transistor, U1 und U2 sind die Eingänge. Eine Besonderheit von TTL-Schaltungen besteht darin, dass Eingänge einen kleinen Strom liefern, wenn sieLow sind bzw. mit Masse verbunden werden. Daher sind unbeschaltete Eingänge aufHigh-Pegel. Gute Praxis ist jedoch, unbenutzte Eingänge dennoch auf High-Potential zu legen, damit ein definiertes bzw. erlaubtes Potential erzwungen wird. Unbeschaltete Eingänge können die passive Störsicherheit einer Schaltung massiv verschlechtern.
Dieses NAND-Gatter hat eineVerlustleistung von 10 mW (Milliwatt) und eine Gatterlaufzeit von 10 ns (Nanosekunden).
Das nebenstehend abgebildete NAND-Gatter mit zwei Eingängen (von diesem Gatter sind vier in einem7400) arbeitet folgendermaßen:
Der UND-Teil der NAND-Funktion wird durch den Multiemitter-Transistor V1 in Basisschaltung gebildet. Wenn Eingang U1oder U2 oder beide zusammen auf einenLow-Pegel (unter 0,8 V) gelegt werden, wird V1 leitend, da nun über R1 ein Basisstrom fließt.Mit anderen Worten: Nur wenn U1und U2 aufHigh-Pegel liegen, sperrt V1 (und gibt Basisstrom an V2 frei;s. u.). Die nachfolgende Schaltung aus dem Ansteuertransistor V2 und einerGegentaktendstufe (Totem-Pole-Schaltung) dient als schneller invertierender digitaler Treiber.
Entspreche der Ausgangszustand zunächst dem logischenLow-Pegel. Der Transistor V4 ist voll leitend und somit in (Basisstrom-)Sättigung. Die Basis von V2 ist auf einem Potenzial zwischen 1,1 bis 1,5 V.Jetzt wird die Basis von V2 wie oben beschrieben durch den Kollektor von V1 nahezu auf Masse (UV1CESat) gezogen, wodurch V2 sperrt. Damit wird die Basis von V3High, die von V4Low.V4 bleibt weiterhin leitend, da seine Basis noch mit Ladungsträgern geflutet ist. V3 wird leitend und ein großer Querstrom durch R3, V3, V5, V4 fließt, der die Ladungsträger aufbraucht. Ist dies geschehen, steigt das Potenzial des Ausgangs sehr schnell an und der Querstrom geht zurück. V3 leitet und V4 sperrt, der Ausgang ist nunHigh.Da TTL-Eingänge im statischen Fall beimHigh-Pegel praktisch keinen Strom aufnehmen, müssen R3, V3 und V5 entsprechend wenig Strom bereitstellen, wenn sie in einer reinen TTL-Schaltung (nicht als Treiber für andere Lasten) verwendet werden.
Nun gehenbeide Eingänge aufHigh, so wird V2 über die in Flussrichtung gepolte pn-Diode der Basis-Kollektor-Strecke von V1 mit Strom versorgt und leitend. V3 wird gesperrt und V4 leitend. Der Ausgang wird also nur dannLow, wennbeide EingängeHigh sind – die negierte UND-Logikfunktion.
Im Gegensatz zur eben beschriebenenTotem-Pole-Ausführung fehlt bei derOpen-Collector-Ausführung (offener Kollektor) V3, der Kollektor von V4 wird also offen zum Ausgang geführt. In diesem Fall muss an Stelle von R3 ein externerPull-up-Widerstand angeschlossen werden, um einenHigh-Pegel zu erreichen. Diese Bauform ermöglicht es, mehrere Ausgänge parallel zu einem „Wired-AND“ (verdrahtetes UND) zusammenzuschalten. Jeder der parallelgeschalteten Ausgänge kann den Knoten aufLow ziehen, ohne von den Logikzuständen der anderen Ausgänge beeinflusst zu werden. Totem-Pole-Ausgänge dürfen hingegen nur dann parallelgeschaltet werden, wenn sie niemals unterschiedliche Logikzustände haben.
Eine deutliche Verbesserung der Geschwindigkeit der TTL-Technik wurde durch die Implementierung mit Schottky-Transistoren erreicht. Ein Schottky-Transistor ist im Wesentlichen einBipolartransistor, bei dem eineSchottky-Diode oder eine Hot-Carrier-Diode zwischen Basis undKollektor geschaltet ist. DieseDiode verhindert die Sättigung derTransistoren in der TTL-Schaltung und verbessert dadurch ihre Fähigkeit, bei höheren Geschwindigkeiten zu schalten.
Um einenBipolartransistor zu sättigen, muss der Basis des Transistors eine beträchtliche Strommenge zugeführt werden. Je höher der Basisstrom, desto schneller sättigt derTransistor. Eine Ansteuerung auf hoher Basis verlangsamt jedoch das Ausschalten des Transistors. Es dauert eine begrenzte Zeit, bis dieLadung auf der Basis entfernt ist, bevor der Transistor abschaltet. Es ist die eine Eigenschaft, die die Schaltgeschwindigkeit von gesättigten Logikschaltungen am stärksten einschränkt. Die Schottky-Diode zwischen der Basis und demKollektor des Bipolartransistors verhindert eine Sättigung und beseitigt daher dieses Problem. DieSchottky-Diode schaltet sehr schnell und benötigt je nachTemperatur nur 0,1 bis 0,3 VoltVorwärtsspannung. Eine typische Schottky-TTL-Schaltung hat eine Ausbreitungsverzögerung von etwa 3Nanosekunden, was weniger als ein Drittel der Verzögerung des Standard-TTL-Schaltung ist. Diese erhöhte Geschwindigkeit wird mit einer Erhöhung derVerlustleistung auf etwa 20Milliwatt erreicht.[3]
Um die Sättigung derTransistoren zu verhindern, können in der Basis-Kollektor-StreckeSchottky-Dioden parallel geschaltet werden, so dass dieSpannung an der Basis nie mehr als 0,3 V über dem Kollektorpotential liegen kann und nur so viel Strom in die Basis fließt wie nötig. Das ergibt einenSchottky-Transistor. Die ungesättigten Transistoren sind schneller (es müssen keine überflüssigen Ladungsträger abgesaugt werden, ehe der Transistor ausschaltet) beziehungsweise man kann Transistoren höherer Stromverstärkung einsetzen und die gesamte Schaltung hochohmiger (und damit energiesparender) ausführen (Baureihen S für Schottky und LS fürLow Power Schottky).
Low-Voltage-TTL(LVTTL) ist eine besondere Form der Transistor-Transistor-Logik (Logikfamilie), bei der die Versorgungsspannung von 5 V auf 3,3 V reduziert ist.
| Symbol | Parameter | min | max |
|---|---|---|---|
| UIH | High-Level Input Voltage | 2 V | UDD + 0,4 V |
| UIL | Low-Level Input Voltage | −0,4 V | 0,8 V |
| UOH | High-Level Output Voltage | 2,4 V | 5 V |
| UOL | Low-Level Output Voltage | 0 V | 0,4 V |
Standard-TTL-Schaltungen können nicht für einenDatenbus verwendet werden, da es keine Möglichkeit gibt, den Ausgang inaktiv zu schalten. Dieser Nachteil kann mitOpen-Collector-TTL-Schaltungen vermieden werden. Bei diesen fehlt am Ausgang der Pull-up-Transistor. Der Ausgang kann direkt an einen einfachen Pull-up-Widerstand angeschlossen werden. DieGatter, die keine Daten senden, werden auf High-Pegel gelegt, damit ist ihr Ausgang hochohmig. Auf diese Weise kann das aktive IC den Pegel der Busleitung bestimmen. Allerdings gehen durch den fehlenden Pull-up-Transistor viele Vorteile von Standard-TTL-Schaltungen verloren, z. B. die hohe Geschwindigkeit und hohe Immunität gegenRauschen.[3]
Standard TTL-ICs erkennt man an einer Bezeichnung der Form74xx bzw. 74xxx, wobei „74“ auf die Logikfamilie und xx/xxx auf den Gatter-Typ (z. B. xx = „00“ entsprichtNAND) verweist. Die meisten Bausteine gibt es auch als 54xx für den militärischen Temperaturbereich bzw. als 84xx für den industriellen Temperaturbereich. In TTL-Technik aufgebaut sind auch die wenig verbreitete 49xx-Serie sowie die 75xx-Serie, die in erster LinieInterface-, Pegelwandler- und andere Anpassschaltungen umfasst.
Die Bezeichnungen der Varianten orientieren sich im Allgemeinen an dem Standardtyp, zu dem der Baustein anschluss- und funktionskompatibel ist, wobei die Variante durch eingeschobene Buchstaben gekennzeichnet wird. Der Versorgungsspannungsbereich und die Signalpegel sind nicht notwendig kompatibel. Neben den bisher genannten gibt es noch zahlreiche weitere TTL-Varianten, beispielsweise:
Gängige TTL-Bausteine tragen die Bezeichnung 74nn(n)xx(xx), wobei n die Logikfamilie (Technologie) ist und x die Bauteil-Funktion codiert. Bausteine des Typs 74xx sind veraltet. In bipolarer Technik werden nur noch 74LS (low-power-schottky, Nachfolger der 74er Logikfamilie) und 74F (fast Schottky) gefertigt. Nachfolger sind in CMOS-Technologie:
Die 1970 eingeführte4000er-Reihe war die erste CMOS-Logikfamilie, gegenüber TTL stromsparend, aber langsam (Grenzfrequenz bei 1 MHz) und nicht pin- und logik-kompatibel zu TTL (Versorgungsspannung 3 bis 15 V). Sie hat einen anderen Bezeichnungsschlüssel.
Als Vorläufer-Logikfamilien der TTL-Familie können dieWiderstands-Transistor-Logik und dieDiode-Transistor-Logik betrachtet werden. Diese beiden Logikfamilien sind veraltet und haben heute praktisch keine Bedeutung mehr.
Nah mit der TTL-Familie ist dielangsame störsichere Logik verwandt, die in der Vergangenheit für Spezialanwendungen eingesetzt wurde. Wie der Name suggeriert, ist sie mit 200 ns Signallaufzeit um ein vielfaches langsamer als Bauteile der TTL-Familie. Heute hat diese Logikfamilie ebenfalls keine praktische Bedeutung mehr.