Transistor-Transistor-Logik

Die Transistor-Transistor-Logik (TTL) ist eine Schaltungstechnik (Logikfamilie) für logische Schaltungen (Gatter), bei der als aktives Bauelement der Schaltung planare npn-Bipolartransistoren verwendet werden. Bei der N-Familie wird meist an verbundenen Eingängen ein Multiemitter-Transistor eingesetzt, so dass für mehrere Eingänge nur ein Transistor erforderlich ist; bei der LS-Familie sowie bei Schmitt-Trigger-Eingängen wird die AND-Verschaltung der Eingänge mittels Dioden realisiert.

7400-Chip (Vierfach-NAND-Gatter) aus dem Jahr 1976

Geschichte

Die TTL-Technik wurde 1961 von James L. Buie bei TRW erfunden. Die ersten kommerziellen Schaltkreise produzierte die Firma Sylvania Electric Products. Eine ebenfalls auf Bipolartransistoren basierende Weiterentwicklung mit geringerem Stromverbrauch stellt die integrierte Injektionslogik (I²L) dar.

Standard-TTL

Schaltung eines NAND-Gatters in Standard-TTL-Technik: Type 7400, P_V = 10 mW; t_pd = 10 ns

Standard-TTL-Schaltkreise sind für einen Betrieb an einer Versorgungsspannung von 5 V mit einer Abweichung von 5 % ausgelegt.

Die Belastbarkeit der Ausgänge wird als Fan-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 als High-Pegel (in positiver Logik eine logische 1) definiert, eine niedrige Spannung wird als Low-Pegel bezeichnet (in positiver Logik eine logische 0). Die Schaltkreise sind so zu dimensionieren, dass Eingangsspannungen U_E < 0,8 V als Low-Pegel, und U_E > 2,0 V als High-Pegel erkannt werden. Die Ausgangsspannung U_A bei nominaler Last muss < 0,4 V für den Low-Pegel und > 2,4 V für den High-Pegel betragen. Der statische Störabstand beträgt somit sowohl für High- als auch für Low-Pegel 0,4 V. Die tatsächliche Ausgangsspannung liegt lastabhängig zwischen gut 3 und knapp 4 V.

Logische Bausteine in TTL-Technik haben gegenüber CMOS-Bausteinen den Vorteil, dass sie unempfindlicher gegenüber elektrostatischen Entladungen (ESD) sind. Wegen der stromgesteuerten Transistoren hat TTL im Vergleich zu CMOS eine besonders 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 sie Low sind bzw. mit Masse verbunden werden. Daher sind unbeschaltete Eingänge auf High-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.

Funktionsweise

Das nebenstehend abgebildete NAND-Gatter mit 2 Eingängen (1/4 eines 7400) arbeitet folgendermaßen:

Die UND-Funktion wird durch den Multiemitter-Transistor V₁ gebildet. Wenn Eingang U₁ oder U₂ auf einen Low-Pegel (bzw. Masse) gelegt werden, wird V₁ leitend, da nun über R₁ ein Basisstrom fließt. Der nachfolgende Verstärker besteht aus dem Ansteuertransistor V₂ und einer Gegentaktendstufe (Totem-Pole-Schaltung). Die Basis von V₂ wird durch den Kollektor von V₁ nahezu auf Masse (U_V1Sat) gezogen, wodurch V₂ sperrt. Damit wird die Basis von V₃ High, die von V₄ Low. V₃ leitet also und legt den Ausgang auf High. Sind beide Eingänge auf High, 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 dann Low, wenn beide Eingänge High sind – die negierte UND-Logikfunktion.

In der open collector-Ausführung (offener Kollektor) fehlt V₃, der Kollektor von V₄ wird also offen zum Ausgang geführt. In diesem Fall muss an Stelle von R₃ ein externer pull up-Widerstand angeschlossen werden, um einen High-Pegel zu erreichen. Diese Bauform ermöglicht es, mehrere Ausgänge parallel zu einem „Wired-AND“ (verdrahtetes UND) zusammenzuschalten. Jedes der parallel geschalteten Ausgänge kann den Knoten auf Low ziehen, ohne von den Logikzuständen der anderen Ausgänge beeinflusst zu werden. Tristate-Ausgänge dürfen hingegen nur dann parallel geschaltet werden, wenn sie niemals unterschiedliche Logikzustände haben.

Varianten

Low-Power-Schottky-TTL

NAND-Gatter in Low-Power-Schottky-TTL-Bauweise
Type: 74LS00; P_V=2 mW; t_pd=10 ns

Übertragungskennlinie eines Low-Power-Schottky-TTL-Inverters

Um die Sättigung der Transistoren zu verhindern, können in der Basis-Kollektor-Strecke Schottky-Dioden parallel geschaltet werden, so dass die Spannung 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 einen Schottky-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 für Low Power Schottky).

Low-Voltage-TTL

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.

Low-Voltage-TTL-Logikpegel
Symbol	Parameter	min	max
U_IH	High-Level Input Voltage	2 V	U_DD + 0,4 V
U_IL	Low-Level Input Voltage	−0,4 V	0,8 V
U_OH	High-Level Output Voltage	2,4 V	5 V
U_OL	Low-Level Output Voltage	0 V	0,4 V

Alte Typen und ihre Bezeichnungen

Standard TTL-ICs erkennt man an einer Bezeichnung der Form 74xx bzw. 74xxx, wobei „74“ auf die Logikfamilie und xx/xxx auf den Gatter-Typ (z. B. xx = „00“ entspricht NAND) 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 Linie Interface-, Pegelwandler- und andere Anpassschaltungen umfasst.

Die Bezeichnungen der Varianten orientieren sich im Allgemeinen an dem Standardtyp, zu dem der Baustein anschluss- und funktions-kompatibel 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:

74L: Low-Power TTL mit geringerem Stromverbrauch bei geringerer Schaltgeschwindigkeit
74H: High-Speed TTL mit sehr viel höherer Schaltgeschwindigkeit bei höherem Stromverbrauch
74S: Schottky TTL mit höherer Schaltgeschwindigkeit bei höherem Stromverbrauch
74F: Fast-Schottky
74LS: Low power Schottky
74AS bzw. 74ALS: Advanced Schottky

Aktuelle Typen

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. Es wird nur noch 74LS (low-power-schottky-Nachfolger der 74er Logikfamilie) und 74F (fast Schottky) gefertigt. Nachfolger sind in CMOS-Technologie:

74HC: aktuelle CMOS-Familie: HC steht für High Speed CMOS, Versorgungsspannung 2 …6 V, max. Frequenz ca. 25 MHz
74AHC, 74AC: wesentlich schneller als 74HC (A steht für advanced)
74HCT: ähnlich 74HC, aber TTL-kompatibel, Versorgungsspannung 4,5…5,5 V
74ACT: ähnlich AC, aber TTL-kompatibel

Die 1970 eingeführte 4000er-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.

Literatur

Klaus Wüst: Mikroprozessortechnik. 2. aktualisierte und erweiterte Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2006, ISBN 978-3-8348-0046-6.

Basierend auf einem Artikel in:

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