Transistor-Transistor-Logik

Grundprinzip und Bedeutung

Die Transistor-Transistor-Logik (TTL) ist eine Logikfamilie für digitale Schaltungen, also für Logikgatter. Als aktive Bauelemente verwendet sie planare npn-Bipolartransistoren. Bei der N-Familie übernimmt meist ein Multiemitter-Transistor mehrere Eingänge; dadurch genügt für mehrere Eingänge ein Transistor. Bei der LS-Familie und bei Schmitt-Trigger-Eingängen wird die UND-Verknüpfung der Eingänge mit Dioden gebildet.

TTL war vor den großen Fortschritten der CMOS-Prozesstechnik um 1980 deutlich schneller als CMOS und ist weniger empfindlich gegen elektrostatische Entladungen (ESD). Weil ihre Transistoren stromgesteuert sind, ist ihre Stromaufnahme gegenüber CMOS jedoch hoch. Eine auf Bipolartransistoren beruhende Weiterentwicklung mit geringerem Stromverbrauch ist die integrierte Injektionslogik (I²L).

Die TTL-Technik entwickelte James L. Buie 1961 bei TRW; die ersten kommerziellen Schaltungen stellte Sylvania Electric Products her. 1965 war eine gemeinsam mit der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Shanghai hergestellte TTL-Schaltung der erste in China gefertigte integrierte Schaltkreis.

Pegel und Eigenschaften von Standard-TTL

Standard-TTL ist für eine Versorgungsspannung von 5 V mit einer Abweichung von 5 % ausgelegt. High-Pegel bedeutet bei positiver Logik eine logische 1, Low-Pegel eine logische 0. Ein Eingang erkennt U_E < 0,8 V als Low und U_E > 2,0 V als High. Bei nominaler Last muss ein Ausgang für Low U_A < 0,4 V und für High U_A > 2,4 V liefern. Daraus ergibt sich für beide Pegel ein statischer Störabstand von 0,4 V. Die tatsächliche High-Ausgangsspannung liegt je nach Last zwischen gut 3 und knapp 4 V.

Fan-Out bezeichnet, wie viele Eingänge ein Ausgang bedienen kann. Dies war bei umfangreichen TTL-Logikschaltungen besonders wichtig. TTL-Eingänge liefern einen kleinen Strom, wenn sie Low sind oder mit Masse verbunden werden; unbeschaltete Eingänge liegen deshalb auf High. Trotzdem sollen unbenutzte Eingänge auf High-Potential gelegt werden, damit ein definiertes und erlaubtes Potential erzwungen wird: Unbeschaltete Eingänge können die passive Störsicherheit stark verschlechtern.

Ein 7400 enthält vier NAND-Gatter mit je zwei Eingängen. Das abgebildete Standard-TTL-NAND-Gatter des Typs 7400 hat P_V = 10 mW und eine Gatterlaufzeit t_pd = 10 ns.

Arbeitsweise eines TTL-NAND-Gatters

Der UND-Teil eines NAND-Gatters wird durch den Multiemitter-Transistor V_1 in Basisschaltung gebildet. Liegt U_1 oder U_2, oder liegen beide Eingänge, unter 0,8 V, wird V_1 leitend: Über R_1 fließt dann Basisstrom. Nur wenn beide Eingänge High sind, sperrt V_1 und gibt Basisstrom für V_2 frei.

Auf V_1 folgen der Ansteuertransistor V_2 und eine Gegentaktendstufe, auch Totem-Pole-Schaltung genannt. Sie arbeitet als schneller invertierender digitaler Treiber. Ist zunächst der Ausgang Low, leitet V_4 vollständig und ist in Sättigung; die Basis von V_2 liegt dann zwischen 1,1 und 1,5 V. Wird die Basis von V_2 durch den Kollektor von V_1 nahezu auf Masse gezogen, sperrt V_2. Dadurch wird die Basis von V_3 High und die von V_4 Low. V_4 leitet wegen gespeicherter Ladungsträger zunächst weiter. V_3 wird leitend; ein großer Querstrom durch R_3, V_3, V_5 und V_4 baut die Ladungsträger ab. Danach steigt die Ausgangsspannung schnell: V_3 leitet, V_4 sperrt und der Ausgang ist High.

Sind dagegen beide Eingänge High, versorgt die in Flussrichtung gepolte Basis-Kollektor-pn-Diode von V_1 den Transistor V_2 mit Strom. V_2 leitet, V_3 sperrt und V_4 leitet. Der Ausgang wird somit nur bei zwei High-Eingängen Low: Das ist die negierte UND-Funktion NAND.

Schottky- und Niederspannungsvarianten

Schottky-TTL verbessert die Schaltgeschwindigkeit durch Schottky-Transistoren. Dabei liegt eine Schottky- oder Hot-Carrier-Diode zwischen Basis und Kollektor eines Bipolartransistors. Sie verhindert dessen Sättigung. Bei gesättigten Transistoren muss vor dem Ausschalten gespeicherte Basisladung entfernt werden; dies begrenzt die Schaltgeschwindigkeit stark. Die Schottky-Diode benötigt abhängig von der Temperatur nur 0,1 bis 0,3 V Vorwärtsspannung und begrenzt die Basisspannung auf höchstens 0,3 V über dem Kollektorpotential.

Typische Schottky-TTL erreicht etwa 3 ns Ausbreitungsverzögerung, also weniger als ein Drittel der Standard-TTL-Verzögerung, benötigt aber etwa 20 mW Verlustleistung. Ungesättigte Transistoren schalten schneller; außerdem können Transistoren mit höherer Stromverstärkung eingesetzt werden, sodass eine hochohmigere und energiesparendere Schaltung möglich ist. Die Reihen S und LS bedeuten Schottky beziehungsweise Low Power Schottky. Ein 74LS00 in Low-Power-Schottky-Bauweise hat P_V = 2 mW und t_pd = 10 ns.

Low-Voltage-TTL (LVTTL) senkt die Versorgungsspannung von 5 V auf 3,3 V. Dafür gelten: U_IH mindestens 2 V und höchstens U_DD + 0,4 V, U_IL von −0,4 V bis 0,8 V, U_OH von 2,4 V bis 5 V sowie U_OL von 0 V bis 0,4 V.

Ausgänge, Baureihen und verwandte Familien

Bei einer Open-Collector-Ausführung fehlt V_3 beziehungsweise der Pull-up-Transistor; der Kollektor von V_4 führt offen zum Ausgang. Ein externer Pull-up-Widerstand erzeugt den High-Pegel. Mehrere solche Ausgänge lassen sich zu einem „Wired-AND“ zusammenschalten: Jeder Ausgang kann den gemeinsamen Knoten auf Low ziehen. Bei einem Datenbus werden nicht sendende Gatter auf High gelegt, sodass ihr Ausgang hochohmig ist; das aktive IC bestimmt dann den Buspegel. Allerdings fehlen dabei Vorteile der Standard-TTL, insbesondere hohe Geschwindigkeit und hohe Störfestigkeit. Totem-Pole-Ausgänge dürfen nur parallel geschaltet werden, wenn sie niemals unterschiedliche Zustände liefern.

Alte Standard-TTL-ICs heißen 74xx oder 74xxx; „74“ kennzeichnet die Familie, etwa „00“ ein NAND-Gatter. 54xx ist für den militärischen, 84xx für den industriellen Temperaturbereich vorgesehen. 49xx und 75xx sind seltenere TTL-Serien für unter anderem Interface-, Pegelwandler- und Anpassschaltungen. Varianten sind unter anderem 74L (geringerer Stromverbrauch, langsamer), 74H (schneller, höherer Stromverbrauch), 74S, 74F, 74LS, 74AS und 74ALS.

Heute sind 74xx-Bausteine veraltet; in bipolarer Technik werden nur noch 74LS und 74F gefertigt. CMOS-Nachfolger sind 74HC mit 2 … 6 V und maximal etwa 25 MHz, die schnelleren 74AHC und 74AC sowie die TTL-kompatiblen 74HCT mit 4,5 … 5,5 V und 74ACT. Die 1970 eingeführte CMOS-4000er-Reihe ist stromsparend, aber mit 1 MHz Grenzfrequenz langsam und weder pin- noch logikkompatibel zu TTL; sie arbeitet mit 3 bis 15 V.

Vorläufer von TTL waren Widerstands-Transistor-Logik und Diode-Transistor-Logik; beide sind heute praktisch bedeutungslos. Verwandt ist die langsame störsichere Logik mit 200 ns Signallaufzeit, die früher Spezialanwendungen diente und heute ebenfalls keine praktische Bedeutung mehr hat.