ТТЛШ

ТТЛШ (также ТТЛ-Шоттки, TTL-Schottky) — это семейство цифровых интегральных микросхем, построенных на основе транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) с использованием диодов Шоттки для ускорения переключения. Основное отличие от стандартной ТТЛ заключается в применении транзисторов с диодом Шоттки между базой и коллектором (транзистор Шоттки), что предотвращает насыщение транзистора и значительно сокращает время выключения. ТТЛШ была разработана в 1970-х годах компанией Texas Instruments и стала одной из наиболее распространённых технологий для построения быстродействующих логических схем вплоть до середины 1980-х годов.

История

Предпосылки создания

Стандартная ТТЛ-логика, появившаяся в начале 1960-х годов, обладала рядом недостатков, главным из которых было относительно низкое быстродействие. Время задержки переключения стандартного ТТЛ-элемента составляло около 10–15 наносекунд. Это было связано с тем, что в открытом состоянии транзисторы входили в режим глубокого насыщения, когда в базе накапливался избыточный заряд неосновных носителей. Для выхода из насыщения требовалось время (время рассасывания), что замедляло работу схемы.

Разработка и внедрение

В 1969 году инженер компании Texas Instruments Том Лонг (Tom Long) предложил использовать диоды Шоттки для шунтирования коллекторного перехода транзистора. Диод Шоттки, обладающий низким прямым падением напряжения (0,3–0,4 В) и практически нулевым временем восстановления, не позволял транзистору войти в насыщение. Транзистор с таким диодом получил название транзистор Шоттки.

Первая коммерческая серия ТТЛШ была выпущена Texas Instruments в 1971 году под обозначением серии 74S (например, 74S00 — логический элемент «2И-НЕ»). Время задержки переключения для этой серии составляло около 3–5 наносекунд, что в 2–3 раза быстрее стандартной ТТЛ. Впоследствии были разработаны более быстрые варианты: серия 74LS (Low-power Schottky) — с пониженным энергопотреблением (около 2 мВт на вентиль) и временем задержки 9–10 нс, и серия 74ALS (Advanced Low-power Schottky) — с ещё более низким потреблением и задержкой 4–5 нс.

Распространение

В 1970–1980-х годах ТТЛШ стала доминирующей технологией для построения цифровых устройств средней и высокой степени интеграции: от логических элементов и триггеров до микропроцессоров (например, Intel 8086, построенный на ТТЛШ-технологии) и запоминающих устройств. С появлением КМОП-логики (CMOS) в 1980-х годах, которая обеспечивала значительно меньшее энергопотребление, ТТЛШ постепенно уступила ей позиции, однако продолжала использоваться в системах, где требовалось высокое быстродействие и устойчивость к помехам.

Устройство и принцип работы

Транзистор Шоттки

Основным элементом ТТЛШ является биполярный транзистор n-p-n типа, между базой и коллектором которого включён диод Шоттки. Диод изготавливается из металла (например, алюминия или платины) и полупроводника n-типа. При прямом смещении падение напряжения на диоде Шоттки (0,3–0,4 В) меньше, чем на коллекторном переходе транзистора (0,6–0,7 В). Поэтому при открытии транзистора диод открывается раньше и шунтирует коллекторный переход, не позволяя напряжению на нём упасть ниже 0,3–0,4 В. Транзистор остаётся в активном режиме (не насыщается), что исключает накопление избыточного заряда в базе и ускоряет выключение.

Логический элемент

Типовая схема элемента «2И-НЕ» ТТЛШ включает:

• Многоэмиттерный транзистор на входе (выполняет логическую функцию И).
• Транзистор Шоттки в качестве фазоинвертора.
• Двухтактный выходной каскад (push-pull) на транзисторах Шоттки, обеспечивающий низкое выходное сопротивление и хорошую нагрузочную способность.

Выходной каскад состоит из двух транзисторов: верхнего (нагрузочного) и нижнего (запирающего). Когда выход должен быть в высоком уровне (логическая 1), открывается верхний транзистор, а нижний закрыт; когда в низком (логический 0) — наоборот. Такая конфигурация позволяет быстро заряжать и разряжать ёмкость нагрузки.

Электрические характеристики

• Напряжение питания: +5 В (с допуском ±5%).
• Уровни логических сигналов: логический 0 — 0–0,4 В, логическая 1 — 2,4–5 В.
• Входной ток: для логического 0 — около 1,6 мА (ток вытекает из входа), для логической 1 — около 40 мкА (ток втекает во вход).
• Выходной ток: до 20 мА на выходе (для стандартной серии 74S).
• Помехоустойчивость: около 0,4 В для низкого уровня и 0,7 В для высокого.

Классификация

По быстродействию и энергопотреблению

Основные серии ТТЛШ, выпускавшиеся Texas Instruments и другими производителями (Fairchild, Motorola, National Semiconductor):

По функциональному назначению

ТТЛШ-микросхемы выпускались в широком ассортименте:

• Логические элементы (И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, исключающее ИЛИ).
• Триггеры (D-триггеры, JK-триггеры).
• Счётчики (двоичные, десятичные).
• Регистры (сдвиговые, параллельные).
• Дешифраторы, мультиплексоры, сумматоры.
• Арифметико-логические устройства (АЛУ), например, 74LS181.
• Буферы и драйверы шин.

Применение

Цифровые устройства

ТТЛШ широко применялась в:

• Компьютерах и периферийных устройствах (контроллеры дисководов, принтеров, клавиатур).
• Промышленных контроллерах и системах автоматизации.
• Измерительной аппаратуре (осциллографы, генераторы сигналов).
• Военной и аэрокосмической технике (из-за высокой устойчивости к радиации и помехам по сравнению с ранними КМОП-схемами).

Совместимость с другими технологиями

ТТЛШ-микросхемы совместимы по уровням сигналов со стандартной ТТЛ, что позволяло использовать их в смешанных проектах. Однако для подключения к КМОП-логике (с напряжением питания 5 В) требовалось согласование уровней, так как КМОП-выходы имеют более высокий выходной импеданс, а ТТЛШ-входы — более высокий входной ток.

Ограничения

• Высокое энергопотребление по сравнению с КМОП (особенно в статическом режиме).
• Необходимость использования развязывающих конденсаторов по питанию для подавления импульсных помех.
• Ограниченная нагрузочная способность по току (до 20 мА на выход).

Интересные факты

• Серия 74LS была настолько популярна, что её обозначение стало синонимом ТТЛШ-логики в целом. Многие производители выпускали функциональные аналоги под собственными маркировками (например, КР1533 в СССР — аналог 74ALS).
• Транзистор Шоттки, лежащий в основе ТТЛШ, был изобретён в 1969 году, но широкое применение получил только после того, как Texas Instruments освоила технологию осаждения плёнок платины и палладия для создания диодов Шоттки.
• В СССР и России ТТЛШ-микросхемы выпускались по сериям 530 (аналог 74S), 533 (аналог 74LS), 1533 (аналог 74ALS) и 1531 (аналог 74F). Они широко применялись в вычислительной технике, например, в ЭВМ «Электроника-60» и «СМ ЭВМ».
• С появлением КМОП-логики с низким напряжением питания (3,3 В и ниже) ТТЛШ постепенно вышла из употребления, однако до сих пор используется в некоторых специализированных устройствах, где требуется устойчивость к высоким температурам и радиации.

Источники

• Texas Instruments. The TTL Data Book, Volume 1. — 1984.
• Ланкастер Д. Справочник по цифровым интегральным микросхемам. — М.: Мир, 1985.
• Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — М.: Мир, 1993.
• В. Л. Шило. Популярные цифровые микросхемы. — М.: Радио и связь, 1987.