Logika transistor–transistor

 

TTL ditemukan oleh James L. Buie dari TRW, "particularly suited to the newly developing integrated circuit design technology."^[2] IC TTL komersial pertama dibuat oleh Sylvania pada 1963, dinamai Sylvania Universal High-Level Logic family (SUHL).^[3] Peranti dari Sylvania ini digunakan dalam misil Phoenix.^[3] TTL menjadi terkenal pada pendesain sistem elektronik setelah Texas Instruments memperkenalkan seri 5400, dengan daerah suhu untuk militer, pada 1964 dan pada akhirnya seri 7400 pada 1966 dengan daerah suhu yang lebih rendah. Keluarga 7400 dari Texas Instrument menjadi standar industri. Peranti yang cocok dibuat oleh Motorola, AMD, Fairchild, Intel, Intersil, Signetics, Mullard, Siemens, SGS-Thomson/ST microelectronic dan National Semiconductor,^[4][5] dan banyak perusahaan lainnya, bahkan di bekas Uni Soviet. Tidak hanya membuat peranti TTL yang kompatibel, tetapi peranti kompatibel juga dibuat dengan menggunakan teknologi sirkuit lainnya. Istilah TTL digunakan pada banyak logika penyempurnaan yang menggunakan transistor dwikutub, dengan beberapa penyempurnaan di kecepatan dan kebutuhan daya selama lebih dari dua dekade. Keluarga populer yang terakhir adalah 74AS/ALS Advanced Schottky, dikenalkan pada 1985.^[6] Hingga 2009, Texas Instruments tetap memproduksi IC kegunaan umum dalam banyak keluarga teknologi usang, walaupun dengan harga yang semakin mahal. Biasanya, chip TTL memadukan tidak lebih dari beberapa ratus transistor. Fungsi yang dipunyai sebuah kemasan tunggal bervariasi dari beberapa gerbang logika hingga mikroprosesor. TTL juga menjadi penting karena harganya yang muram membuat teknik digital cukup ekonomis untuk menggantikan pekerjaan yang sebelumnya dilakukan oleh teknik analog.^[7] Kenbak-1, salah satu komputer pribadi pertama, menggunakan TTL untuk CPU daripada menggunakan mikroprosesor yang belum tersedia pada tahun 1971.^[8] 1973 Xerox Alto dan 1981 Star, yang mengenalkan GUI, menggunakan sirkuit TTL pada taraf ALU. Banyak komputer yang menggunakan logika kompatibel-TTL hingga tahun 1990-an. Hingga penemuan logika dapat diprogramkan, logika dwikutub tersendiri digunakan untuk percobaan dan pengembangan sirkuit digital terpadu lainnya.

 

 

TTL berbeda dengan pendahulunya, generasi logika resistor–transistor (RTL) dan logika diode–transistor (DTL) dengan menggunakan transistor tidak hanya untuk penguatan keluaran tetapi juga untuk mengisolasi masukan. Pertemuan p-n dari diode mempunyai kapasitansi yang cukup besar, jadi mengubah taraf logika pada masukan DTL memerlukan waktu dan energi yang tidak sedikit. Seperti terlihat pada skema kiri atas, konsep dasar dari TTL adalah mengisolasi masukan dengan menggunakan sambungan basis-bersama, dan menguatkan fungsi dengan sambungan emitor-bersama. Perhatikan bahwa basis dari transistor keluaran digerakan tinggi hanya oleh pertemuan basis-kolektor dari transistor masukan yang dipanjar maju. Skema kedua menambahkan keluaran tiang totem. Ketika Q₂ mati (logika 1), resistor membuat Q₃ hidup dan Q₄ mati, menghasilkan logika 1 yang lebih kuat di keluaran. Ketika Q₂ hidup, ini mengaktifkan Q₄, menggerakan logika 0 ke keluaran. Diode memaksa emitor dari Q₃ ke ~0.7 V, sedangkan R₂, R₄ dipilih untuk menarik basis ke tegangan yang lebih rendah, membuatnya mati. Dengan menghilangkan resistor pull-up dan resistor pull-down pada tingkat keluaran, memungkinkan kekuatan gerbang ditingkatkan tanpa memengaruhi konsumsi daya secara signifikan.^[9][10] TTL sangat sesuai dibuat sebagai sirkuit terpadu karena masukan sebuah gerbang dapat disatukan kedalam sebuah daerah dasar untuk membentuk transistor multi emitor. Karena peranti yang rumit mungkin menambah biaya sirkuit jika dibuat dari transistor terpisah, tetapi dengan mengkombinasikan beberapa sirkuit kecil menjadi peranti yang lebih rumit, sebaliknya ini mengurangi biaya implementasi pada IC. Seperti logika yang menggunakan transistor dwikutub lainnya, arus kecil harus diambil dari masukan untuk memastikan taraf logika yang benar. Arus yang diambil harus dalam kapasitas tingkat sebelumnya, sehingga membatasi gerbang yang dapat disambungkan (fanout). Semua TTL standar bekerja pada pencatu daya 5 volt. Isyarat masukan TTL dikatakan rendah jika berada di antara A TTL 0 V dan 0.8 V dimana mewakili titik ground, dan tinggi ketika berada di antara 2.2 V dan 5 V, mewakili titik catu^[11] (taraf logika presisi mungkin sedikit bervariasi di antara subtipe). Keluaran TTL biasanya terbatas pada batas yang lebih sempit di antara 0 V dan 0.4 V untuk logika rendah dan di antara 2.6 V dan 5 V untuk logika tinggi, memberikan ketahanan desah 0,4V. Standardisasi taraf logika TTL sangat penting karena papan sirkuit yang rumit sering menggunakan IC TTL yang diproduksi oleh berbagai pabrik dan dipilih berdasarkan kesiapan dan harga, kecocokan harus meyakinkan, dua papan sirkuit dari jalur perakitan yang pada mungkin memiliki campuran merk yang berbeda untuk posisi yang sama dalam papan. Dalam batas dapat digunakan yang cukup luas, gerbang logika dapat dianggap sebagai peranti Boolean ideal tanpa kekhawatiran akan batasan elektronik.

Generasi penerus dari teknologi memproduksi peranti kompatibel dengan penambahan kecepatan atau efisiensi atau keduanya. Walaupun produsen secara resmi memasarkan produk tersebut sebagai keluarga TTL dengan diode Schottky, beberapa sirkuit yang digunakan pada keluarga LS sebenarnya adalah DTL.^[12] TTL dasar biasanya mempunyai tundaan penyebaran 10ns dan borosan daya 10 mW tiap gerbang. Variasi dan penerusnya antara lain:

• TTL daya rendah (L), mengorbankan kecepatan untuk pengurangan borosan (33ns, 1 mW). Sekarang telah digantikan oleh logika CMOS.
• TTL kecepatan tinggi (H), lebih cepat daripada TTL standar, tapi borosan juga jauh lebih tinggi, (6ns, 22 mW)
• TTL Schottky (S), dikenalkan pada tahun 1969, menggunakan penggenggam diode Schottky pada masukan untuk mencegah penyimpanan muatan dan memperbaiki kecepatan pensakelaran. (3ns, 19 mW)
• TTL Schottky daya rendah (LS), menggunakan TTL daya rendah dan diode Schottky untuk mendapatkan kombinasi antara kecepatan dan efisiensi. Ini mungkin adalah tipe TTL paling umum, digunakan sebagai logika perekat pada mikrokomputer, menggantikan sub-keluarga H, L dan S. (9.5ns, 2 mW).
• Varian cepat (F) dari Fairchild dan Schottky maju (AS) TI merupakan penyempurnaan dari LS, dikenalkan pada tahun 1985, dengan sirkuit "Miller-killer" untuk mempercepat transisi dari rendah ke tinggi.
• Sebagian besar produsen menawarkan daerah suhu komersial dan keperluan khusus, sebagai contoh peranti seri 7400 dari TI dispesifikasikan dari 0 hingga 70 °C, dan peranti seri 5400 dalam spesifikasi militer dengan daerah suhu dari −55 hingga +125 °C.
• Peranti tahan radiasi ditawarkan untuk penggunaan luar angkasa dan nuklir.
• Peranti kualitas tinggi dan reabilitas tinggi tersedia untuk penggunaan penerbangan dan militer.
• TTL tegangan rendah (LVTTL) untuk pencatu daya 3.3 pada antarmuka memori.

Peranti TTL mengonsumsi lebih banyak daya daripada peranti CMOS yang ekivalen saat siaga, tetapi konsumsi daya tidak meningkat bersamaan dengan peningkatan kecepatan clock secepat peranti CMOS. Dibandingkan dengan sirkuit ECL, TTL menggunakan lebih sedikit daya dan mempunyai aturan desain yang lebih sederhana, tetapi juga lebih lambat. Pendesain dapat mengkombinasikan ECL dan TTL dalam sistem yang sama untuk mendapatkan performansi dan penghematan yang lebih baik, tetapi peranti penggeser-taraf dibutuhkan di antara dua keluarga logika. TTL kurang sensitif terhadap kerusakan karena pembuangan elektrostatik daripada peranti CMOS awal. Karena struktur keluaran dari peranti TTL yang taksimetrik, impedansi keluaran antara keadaan tinggi dan rendah tidak simetris, membuatnya tidak cocok untuk menggerakan kawat transmisi. Kekurangan ini biasanya dapat diatasi dengan menyangga keluaran dengan peranti penggerak-saluran khusus untuk isyarat yang harus dikirim melalui kabel panjang. ECL, karena struktur keluarannya simetris pada impedansi rendah, ECL tidak mengalami kekurangan ini. Keluaran struktur tiang totem TTL memiliki waktu tumpang tindih sebentar saat semua transistor menghantar, menghasilkan pulsa arus yang besar diambil dari catu. Pulsa tersebut dapat digandengkan dengan cara yang tidak diinginkan pada sepanjang kemasan multi sirkuit terpadu, menghasilan batas desah yang dikurangi dan performa yang lebih lambat. Sistem TTL biasanya memiliki kondensator untuk setiap satu atau dua kemasan, jadi pulsa arus yang disebabkan oleh dalah satu tidak mengakibatkan perubahan tegangan catu. Beberapa produsen sekarang menyuplai logika CMOS ekivalen dengan taraf masukan dan keluaran yang kompatibel, biasanya nomor peranti mirip dengan komponen sejenis.

Seperti kebanyakan sirkuit terpadu abad ke-19 lainnya, peranti TTL biasanya dikemas pada kemasan DIL dengan kaki antara 14 hingga 24. Biasanya dibuat dari plastik epoksi (PDIP) atau keramik (CDIP). Kemasan DIL standar mempunyai kaki yang berjarak 0,1 in, dan hampir semua peranti TTL menggunakan penjarakan ini (walaupun beberapa IC ASIC dikemas dengan penjarakan kaki yang lebih rapat), kemasan DIL 14 dan 16 kaki dengan dua baris kaki dipisahkan 0,3 in adalah yang paling umum untuk IC TTL. IC berkas-tembaga tanpa kemasan dibuat untuk perakitan pada larikan yang lebih besar sebagai sirkuit terpadu campuran. Peranti untuk penggunaan militer dan luar angkasa dikemas dalam kemasan datar, sebuah bentuk dari kemasan pemasangan permukaan, dengan tembaga yang cocok untuk pengelasan atau penyolderan ke papan rangkaian cetak. Sekarang, banyak peranti kompatibel-TTL tersedia dalam kemasan pemasangan permukaan, yang tersedia dalam jenis yang lebih banyak daripada kemasan lewat-lubang.

Walaupun didesain untuk penggunaan taraf logika sinyal digital, sebuah TTL dapat dipanjar untuk digunakan sebagai penguat analog. Penguat seperti ini mungkin sangat berguna pada peranti yang harus mengubah sinyal analog km sinyal digital, tetapi biasanya tidak digunakan ketika penguatan analog menjadi kegunaan utama peranti.^[13] Pembalik TTL dapat juga digunakan pada osilator kristal karena kemampuan penguatan analognya sangat berarti dalam analisis performansi osilator.

Sebelum penemuan peranti integrasi skala sangat besar (VLSI), TTL merupakan standar metode konstruksi untuk prosesor dasar, seperti DEC VAX dan Data General Eclipse. Karena mikroprosesor menjadi lebih berguna, peranti TTL menjadi penting untuk digunakan sebagai logika penempel, seperti penggerak bus cepat pada motherboard, yang menyambungkan blok-blok fungsi sehingga menjadi elemen VLSI.

Setidaknya satu produsen, IBM, memproduksi sirkuit TTL takstandar untuk penggunaan sendiri. IBM menggunakan teknologi ini pada IBM System/38, IBM 4300, dan IBM 3081.^[14]

• Ayers, J. UConn EE 215 notes for lecture 4. Diarsipkan 2013-05-02 di Wayback Machine. Harvard University faculty web page. Archive of web page from University of Connecticut. n.d. Retrieved 17 September 2008.
• Buie, J. Coupling Transistor Logic and Other Circuits. Diarsipkan 2018-11-15 di Wayback Machine. (U.S. Patent 3,283,170). 1 November 1966. United States Patent and Trademark Office. 1 November 1966.
• The Computer History Museum. 1963 - Standard Logic Families Introduced. 2007. Retrieved 16 April 16 2008.
• Engineering Staff. The TTL Data Book for Design Engineers. 1st Ed. Dallas: Texas Instruments. 1973.
• Eren, H. Electronic Portable Instruments: Design and Applications. CRC Press. 2003. ISBN 0-8493-1998-6. Google preview available.
• Fairchild Semiconductor. An Introduction to and Comparison of 74HCT TTL Compatible CMOS Logic (Application Note 368). 1984. (for relative ESD sensitivity of TTL and CMOS.)
• Horowitz, P. and Winfield Hill, W. The Art of Electronics. 2nd Ed. Cambridge University Press. 1989. ISBN 0-521-37095-7
• Klein, E. Kenbak-1. Diarsipkan 2011-01-22 di Wayback Machine. Vintage-Computer.com. 2008.
• Lancaster, D. TTL Cookbook. Indianapolis: Howard W. Sams and Co. 1975. ISBN 0-672-21035-5.
• Millman, J. Microelectronics Digital and Analog Circuits and Systems. New York:McGraw-Hill Book Company. 1979. ISBN 0-07-042327-X
• Pittler, M.S., Powers, D.M., and Schnabel, D.L. System development and technology aspects of the IBM 3081 Processor Complex. IBM Journal of Research and Development. 26 (1982), no. 1:2–11.
• Standard TTL logic levels. n.d. Twisted Pair Software.
• Tala, D. K. Digital Logic Gates Part-V. asic-world.com. 2006.
• Texas Instruments. Advanced Schottky Family. 1985. Retrieved 17 September 2008.
• Transistor-Transistor Logic (TTL). siliconfareast.com. 2005. Retrieved 17 September 2008.
• Wobschall, D. Circuit Design for Electronic Instrumentation: Analog and Digital Devices from Sensor to Display. 2d edition. New York: McGraw Hill 1987. ISBN 0-07-071232-8

• (Inggris) Texas Instruments logic family application notes