Transistor-Transistor-Logik
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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. Hierbei wird meist ein Multi-Emitter-Transistor eingesetzt, so dass für mehrere Eingänge nur ein Transistor erforderlich ist.
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[Bearbeiten] Standard-TTL
Standard-TTL-Schaltkreise sind für einen Betrieb an einer Versorgungsspannung von 5 Volt mit einer Abweichung von 5% ausgelegt. Kurzzeitig dürfen als absoluter Grenzwert bis zu 7 Volt Betriebsspannung anliegen. Gegenüber zu niedriger Betriebsspannung reagiert die TTL-Technik relativ tolerant, so dass meist auch der Betrieb beispielsweise an einer 4,5-Volt-Flachbatterie möglich ist. Noch niedrigere Werte wirken sich beispielsweise auf die Belastbarkeit der Ausgänge aus (Fanout), so dass in der Regel kein stabiler Betrieb mehr garantiert ist.
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 dimensioniert, dass Eingangsspannungen UE < 0,8 V als Low-Pegel, und UE > 2,0 V als High-Pegel erkannt werden. Die Ausgangsspannung UA beträgt typisch < 0,4 V für den Low-Pegel und > 2,4 V für den High-Pegel bei der zulässigen Last. Der statische Störabstand beträgt somit sowohl für High- als auch für Low-Pegel 0,4 V.
Logische Bausteine in TTL-Technik haben den Vorteil, dass sie unempfindlicher gegenüber elektrostatischen Entladungen sind als CMOS-Bausteine. Der Nachteil der TTL-Bausteine liegt wegen der stromgesteuerten Transistoren in einer im Vergleich zu CMOS deutlich höheren Leistungsaufnahme (Stromverbrauch) bei statischem Betrieb.
Die am weitesten verbreitete Familie der Standard TTL-Schaltkreis 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.
Weiterführende Informationen: 74er-Reihe
Das nebenstehende Bild zeigt den Aufbau eines TTL-NAND-Gatters. V1 ist der Multi-Emitter-Transistor, U1 und U2 sind die Eingangsspannungen. Eine Besonderheit der TTL-Schaltung besteht darin, dass unbeschaltete Eingänge wirken, als lägen sie auf einem High-Pegel. Praktisch sollen unbenutzte Eingänge der TTL-Schaltkreise auf ein festes Potential gelegt werden, damit sichergestellt werden kann, dass der Schaltkreis korrekt arbeitet. Unbeschaltete Eingänge können die passive Störsicherheit einer Schaltung massiv verschlechtern.
[Bearbeiten] Funktionsweise
TTL-Gatter arbeiten im Prinzip wie DTL-Gatter. Ein Unterschied besteht lediglich in der Ausführung des Dioden-Gatters sowie des Verstärkers. Der Verstärker besteht aus dem Ansteuertransistor V2 und einer Gegentakt-Endstufe (Totem-Pole-Schaltung).
Die Ansteuerung erfolgt, indem U1 und U2 auf einen Low-Pegel (bzw. Masse) gelegt werden. Hierdurch wird V1 leitend, da nun ein Basisstrom über R1 fließt. Die Basis von V2 wird hierdurch nahezu auf Masse (UV1Sat) gelegt, wodurch V2 sperrt. Damit liegt die Basis von V3 auf High, die von V4 auf low. V3 leitet also und legt den Ausgang auf high. Sind die Eingänge nicht oder mit high beschaltet, so wird V2 über die Basis-Kollektor-Strecke von V1 mit Strom versorgt und leitend. V3 wird gesperrt und V4 leitend. Nur in diesem Zustand liegt der Ausgang auf low.
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 R4 ein externer „pull up“-Widerstand angeschlossen werden. Diese Bauform ermöglicht es, mehrere Ausgänge parallel zu schalten zu einem so genannten „Wired-AND“ (verdrahtetes UND). Jedes der so parallel geschalteten Gatter kann den Strom eines nachfolgenden Gatters aufnehmen, ohne von den anderen beeinflusst zu werden und so den folgenden Eingang auf low schalten.
[Bearbeiten] Varianten
[Bearbeiten] Low-Power-Schottky-TTL
Um die Sättigung der Transistoren zu verhindern, können den Transistoren Schottky-Dioden in der Basis-Kollektor-Strecke parallel geschaltet werden, sodass die Spannung der Basis nie mehr als 0,3 V über den Kollektorpotential liegen kann. Dadurch ergibt sich ein so genannter Schottky-Transistor. Diese Parallelschaltung verhindert ein Absinken der Kollektor-Emitter-Spannung unter 0,3 V. Die Dimensionierung kann für diesen Schaltungstyp wesentlich hochohmiger ausgelegt werden, wodurch sich auch eine wesentlich geringere statische Leistungsaufnahme ergibt. Auf die Gatterlaufzeit hat dies keinen Einfluss. Die zur Potentialverschiebung notwendige Diode wurde in diesem Beispiel durch eine Darlington-Schaltung ersetzt.
[Bearbeiten] Low-Voltage-TTL
Die 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 + 0,3 V |
| UIL | Low-Level Input Voltage | -0,3 V | 0,8 V |
| UOH | High-Level Output Voltage | 2,4 V | |
| UOL | Low-Level Output Voltage | 0,4 V |
