Tranzistor-tranzistor logika

**Tranzitor-tranzitor logika** (**TTL**), skraćenica od () (tranzistorsko-tranzistorska logika) je tehnološka generacija integralnih kola, stvorena 60-ih godina 20. vijeka. Bila je jedna od prvih tehnologija koja je omogućila integraciju većeg broja komponenti u integralnom kolu, sa standardnim radnim naponom od 5V. Pojavom TTL tehnologije, počela je era brze minijaturizacije i integracije, koja traje do danas. Ona se zove se tranzitor-tranzitor logika zato što se obe funkcije, fukncija logičkih vrata (npr.I) i funkcija pojačavanja, izvršavaju pomoću tranzistora (suprotno od otpornik-tranzistor logike (RTL) i dioda-tranzistor logike (DTL)).

Iako su druge tehnološke generacije preuzele primat, raspored pinova starih TTL kola se i dalje prati u novim kolima koja ih zamjenjuju, posebno u „neuništivoj“ 7400 seriji integralnih kola, koja je postala industrijski standard. Ponekad se naziv „bipolarna logika“ koristi za TTL zato što TTL kola koriste integrisane bipolarne tranzistore.

TTL je poznat po široko rasprostranjenim familijama integrisanih kola (IC) koje se koriste u mnogim aplikacijama kao što su računari, industrijska kontrola, opreme i instrumenti za testiranje, potrošačka elektronika, sintesajzer i tako dalje. Oznaka TTL se ponekad koristi za TTL kompatibilne logičke nivoe, čak i kada nisu direktno povezani sa TTL integrisanim kolima, na primer oznake na ulazu i izlazu elektronskih instrumenata.

Nakon upoznavanja integrisanih kola 1963. godine od strane Sylvania, TTL integrisana kola su bila proizvodena u nekoliko poluprovodiničkih kompanija. Serija 7400, koju je izradio Texas Instruments, postaje naročito popularna. TTL proizvođači su ponudili veliki raspon logičkih vrata, flip flopova, brojača i drugih kola. Bilo je razvijeno nekoliko varijacija koncepta originalnog bipilarnog TTL-a, koje se odnose na kola sa većom brzinom ili sa manjim rasipanjem energije, da bi se omogućila optimizacija dizaina. TTLkola sa pojednostavljenim dizajnom sistema, u poređenju sa ranijijm logičkim familijama, ponudili su superiornu brzinu za RTL i lakši dizain u odnosu na Emitter Coupled Logic (ECL). Dizain ulaznih i izlazih TTL vrata dozvoljava da mnogi elementi budu međusobno povezani.

TTL postaje temelj računara i drugih digitalnih uređaja. Čak i posle pravljenja integrisanih kola u većem obimu, višestruki-kolo-tabla procesori su bili zastareli, a TTL uređaji su ipak našli široku primenu kao „lepak“ logičnog interfejsa sa gušće integrisanim komponentama. TTL uređaji su se u početku pravili od keramike ili plastike dual-in-line (DIP) paketu, i u formi flat-paketa. TTL čipovi se danas prave i u površinsko-montažnom paketu. Naslednici originalne bipolarne TTL logike se često zamenjuju u funkciji sa originalnim kolom, ali sa poboljšanom brzinom i manjim rasipanjem energije.

## Historija
TTL je pronašao DŽejms L. Buje iz TRW 1961. godine, „kao naročito pogodan za nove tehnologije u razvoju dizaina integrisanih kola“, a on je originalno nazvan tranzistor spregnuta tranzistorska logika (TCTL). Prvi TTL uređaj sa komercijalno integrisanim kolom je proizvela je Silania (Sylvania) 1963. godine pod nazivom Silvaniina univerzalna visokog nivoa logička familija (Sylvania Universal High-Level Logic family -SUHL). Silvaniini delovi su korišćeni za kontrolu Feniks raketa. TTL postaje popularan kod dizainera elektronskih sistema nakon što je Texas Instruments predstavio 5400 seriju ISs, u vojnom temperaturnom opsegu, 1964. godine i kasnije 7400 seriju, određenu za uži opseg, i konkretno za kratke domete, i jeftino plastično pakovanje 1966. godine.

Teksas Instrument sa 7400 familijom postao je industrijski standard. Kompatibilne delove su napravili Motorola, AMD, Fairchild, Intel, Intersil, Signetics, Mullard, Siemens, SGS-Thomson i National Semiconductor, i još mnoge druge kompanije. Čak je i istočni blok imao proizvođače (SSSR, GDR, Poljska, Bugarska). Ne samo da su drugi pravili kompatibilne TTL delove, nego su kompatibilni delovi bili napravljeni korišćenjem mnogih drugih tehnologija kola. Najmanje jedan proizvođač, IBM, proizveo je nekompatibilna TTL kola za sopstvenu upotrebu; IBM je koristio tehnologiju IBMSystem/38, IBM 4300, i IBM 3081.

Termin "TTL" se primenjuje na mnogim uzastopnim generacijama bipolarne logike, uz postepeno poboljšanje brzine i potrošnje energije za oko dve decenije. Nedavno uvedena familija 74AS/ALS Advance Schottky, je bila predstaljena 1985. godine. Od 2008. godine, Teksas Instrument je nastavio sa snabdevanjem čipova, više, opšte namene u mnogobrojnim zastarelim tehnološkim familijama, ali sa povećanim cenama. Tipično, TTL integrisanih čipova nema više od nekoliko stotina tranzistora. Funkcionisanje u okviru jednog paketa obično se kreće od nekoliko logičkih vrata do mikroprocesora bit-slice. TTL je takođe dobio na važnosti zbog njegove niske cene izrade digitalne tehnike ekonomski praktične za zadatke koji su prethodno rešavani analognim metodama.

KENGAB-1, predak prvih personalnih računara, koristio je TTL za svoj CPJ umesto mikroprocesorskog čipa, koji nije bio dostupan 1971. godine. 1973. Godineradne stanice Kseroks Alta (Xerox Alto) i 1981. godine Stara, koje su predstavile grafički korisnički interfejs, koristili su TTL integrisana kola na nivou ALUs i bitslajsove, respektivno. Većina računara koristi TTL kompatibilne „logički lepak“ („glue logic“) između većih čipova 1990. godine. Sve do pojave programabilne logike, doskretna bipolarna logika se koristila za prototip i imitiranje mikroarhitekture tokom razvoja.

## Implementacija

### Osnovna TTL vrata

TTL ulazi su emiteri više-emitera tranzistora. Ova IC struktura je funkcionalno ekvivalentana za više trantistora gde su osnove i kolektori povezani. Izlaz je baferovan pomoću zajedničkog emitera pojačala.

**Ulazi obe logičke jedinice.** Kada su svi ulazi zadržani na visokom naponu, baza-emiterski spojevi više-emiterskog tranzistora su suprotnih sklonosti. Za razliku od DTL-a, mali strujni „kolektor“ (približno 10 µA) služi svakom ulazu. To je zato što je tranzistor u obrnutom aktivnom režimu. Približno konstantna struja teče od pozitivne žice, kroz otpornik i baze više-emitera trantistora. Ova struja prolazi kroz spoj baznog emitera na izlaznom tranzistoru, što mu omogućava da sprovede i povuče nizak izlazni napon (logička nula).

**Ulaz logičke nule.** Treba imati na umu da su spoj baza-kolektor na višestrukom emiter tranzistoru i spoj baza-emiter izlaznog tranzistora, u seriji između dna otpornika i zemlje. Ako ulazni napon postane nula, odgovarajući spoj baza-emiter višestrukog-emiter tranzistora je paralelno sa ova dva spoja. Fenomen koji se zove upravljanje strujom znači, da kada su dva naponsko stabilna elementa, sa različitim prgovima napona, povezani paraleleno, struja protiče putem sa manjim pragom napona. Kao rezultat toga, nema toka struje kroz bazu izlaznog tranzistora, što uzrokujue prenstanak provođenja i izlazni napon postaje visok (logično jedan). Tokom prelaska ulazni tranzistor je kratko u aktivnoj zoni; tako on odvlači veliku struju od beze izlaznog tranzistora i tako brzi prazni svoju bazu. Ovo je kritična prednost TTL nad DTL, a odnosi se na ubrzavanje prenosa preko diodne ulzne strikture.

Glavni nedostatak TTL sa prostim izlaznim stanjem je relativno visoka izlazna otpornost na logičkom izlazu "1", koja je kompletno određena otpornikom na izlaznom kolektoru. To ograničava broj ulaza koji se mogu biti konektovani. Neke prednosti jednostavnog izlaznog stanja su visok naponski nivo (do VCC) izlaznog logičkog "1" kada izlaz nije opterećen.

Logika ovog tipa se najčešće sreće u optpornicima kolektora na izostavljenom izlazu tranzistora, stvarajući otvoreni kolektorski izlaz. Ovo omogućava projektantu da napravi logiku povezujući otvorene izlaze kolektora od nekoliko logičkih vrata i omogućava jedan spoljni pull-up otpornik. Ukoliko bilo koja od logičkih vrata postanu logički niska (provodnost tranzistora), onda će kombinovani izlaz biti nizak. Primeri ovog tipa vrata su 7401 i 7403 serije.

### TTL sa totem-pole izlaznim stanjem

Da bi rešio problem sa velike izlazne otpornosti jednostavnog izlaznog stanja, druga šema se dodaje "totem-pole"-u ("push–pull"). Ona se sastoji od dva n-p-p tranzistora V3 i V4, "podižuće" diode V5 i otpornika za ograničenje struje R3 (vidi sliku sa desne strane). Ona se pokreće primenom iste, gore rečene, ideje o *upravljanju strujom*.

Kada su V2 i V4 isključeni, tada V3 radi u aktivnoj oblasti kao naponski slebdenik koji proizvodi visoki izlazni napon (logičko "1"). Kada je V2 uključen, on aktivira V4 koji dovodi niski napon (logičko "0") na izlaz. V2 i V4 spojevi kolektor-emiter povezuju V4 spoj baza-emiter iz paralelne u rednu vezu spojeva V3 baza-emiter i V5 anoda-katoda. V3 je bez bazne struje; tranzistor je ugašen i ne utiče na izlaz. Na sredini tranzicije, otpornik R3 ograničava tok struje direktno kroz serije povezanih tranzistora V3 , diode V5 i tranzistora V4, koji su svi provodnici. On takođe ograničava izlaznu struju u slučaju da je izlaz ligičko ``1` i kratku vezu sa zemljom. Snaga vrata može da se poveća bez proporcionalnog uticaja na potrošnju energije uklanjanjem pull up i pull down otpornika od izlaznog stanja.

Glavna prodnost TTL sa "totem-pole" izlatnog stanja je nizak izlazni otpor na izlazu logičkog "1". On je određen gornjim izlazom tranzistora V3 koji radi u aktivnoj oblasti kao slebdenik napona. Otpornik R3 ne povećava izlazni otpor pošto je povezan na V3 kolektor i njegov uticaj kompenzuje negativne povratne informacije. Mana "totem-pole" izlaznog stanja je smanjen niovo napona (ne više od 3,5 V) na izlazu logičkog "1" (čak i ako je izlaz neopterećen). Razlog ovog smanjenja su padovi napona korz spojeve V3 baza-emiter i V5 anoda-katoda.

## Razmatranje interfejsa
Kao DTL, TTL je strujna-potonuće logika, pošto struja mora biti odvučena sa ulaza, da bi imali logički 0 nivo. Na niskim ulaznom naponu, TTL ulazni izvori mora da apsorbuju struju iz prethodnog stanja. Maksimalna vrednost ove struje je oko 1,6 mA za standardna TTL vrata. Ulazni izvor mora biti dovoljno niske otpornosti (3 kolektora i pozitivne šine. On se zaustavlja na V5 katodu i isključuje diodu. Međutim, ova tehnika zapravo pretvara sofisticirani "totem-pole" izlaz u jednostavno izlazno stanje koje ima značajan izlazni otpor kada je upravljanje na visokom nivou (zavisi od spoljnjeg otpornika).

## Pakovanje
Kao i većina integrisanih kola u poriodu od 1965. do 1990. godine, TTL uređaji su obično bili pakovani u ``through-hole``, ``dual in-line`` pakovanju, sa imeđu 14 i 24 vodećih žica, izrađenih obično od epoksidne plastike (PDIP) ili ponekad od keramike (CDIP). Kocka sa Beam-lead čipom bez pakovanja napravljeni su za sklapanje u veće nizove, kao na primer hibridna integrisana kola. Delovi za vojsku i vazdušno-kosmičke aplikacije bili su upakovani u ravna pakovanja, oblika surface-mount pakovanja, sa olovom pogodnim za zavarivanje ili lemljenjem na štampana kola. Danas, mnogi TTL kompatibilni uređaji su dostupni u surface-mount pakovanju, koje ima širi spektar vrsta nego through-hole pakovanje.

TTL je posebno pogodan za bipolarna integrisana kola zato što dodatni ulazi vrata samo zahtevaju dodatne emitere na zajedničkoj baznoj oblasti ulaznog tranzistora. Ako se koristi pojedinačno pakovanje tranzistora, troškovi svih tranzistora biće obeshrabrujući za korišćenje takve ulazne strukture. Ali u untegrisanom kolu, dodatni emiteri za dodatna ulazna vrata, jesu samo mali deo.

## Poređenje sa drugim logičkim familijama

TTL uređaji troše više energije nego ekvivalentni CMOS uređaji u miru, ali potrošnja energije ne povećava se tako brzo kao što je to kod CMOS uređaja. U poređenju sa savremenim ECL kolima, TTL koristi manje energije i ima lakša dizain pravila, ali je dosta sporiji. Dizajneri mogu da kombinuju ECL i TTL uređaje u istom sistemu da bi ostvarile najbolje moguće perfomanse i ekonomičnost, ali nivo-prebacivajući uređaji su potrebni između dve logičke familije. TTL je manje osetljiv na oštećenja od ranih CMOS uređaja.

Zbog izlazne strukture TTL uređaja, izlazna impedansa je nesimetrična izneđu visokog i niskog stanja, što je čini nekorisnom za prenos dalekovodom. Ova mana se obično prevazilazi pomoću baferovanja izlaza sa specijalnim line-driver uređajima, gde se signal mora slati putem kabla. ECL, zbog svog niskog otpora simetrične izlazne strukture, nema ovaj nedostatak.

TTL "totem-pole" izlazna struktura često ima trenutno preklapanje kada su gornji i donji tranzistori provodnici, što dovodi do značajnog impulsa struje iz napajanja. Ovi impulsi mogu da se spoje na neočekivane načine između više paketa integrisanih kola, što dovodi do smanjenja marginalne buke i niže perfomanse. TTL sistemi obično imaju odvajajući (dekulpujući) kondenzator za svaki od dva IC paketa, tako da struja pulsira iz jednog TTL čipa, ne bi li trenutno smanjila napon na drugom.

Nekoliko proizovođača danas snabdeva CMOS logičke ekvivalente sa TTL kompatibilnim ulazima i izlazima, i obično nose brojeve delova sličnih sa ekvivalentnimTTL komponenetama i sa istim pinovima. Na prime74NST00 serija omogućava mnoge drop-in zamene za bipolarne delove 7400 serije, ali koristi CMOS tehnologiju.

## Označavanje
Integralna kola su najčešće označena slovima da pokažu vrstu tehnologije. Kao primjer, 7404, 6800 i 74131 su sve razna kola izrađena u istoj TTL tehnologiji, dok je 74HC04 HCMOS kolo ali sa istim rasporedom pinova kao i 7404 TTL kolo.

## Prednosti i nedostaci
Prednost TTL tehnologije u vrijeme kad je nastala je bila uspješna integracija većeg broja tranzistora na jedno kolo. Prednost u odnosu na CMOS tehnologiju 70-ih i 80-ih godina je bila veća brzina rada, pa su TTL kola često korištena u digitalnim uređajima. Ponekad su čak i centralni procesori računara bili izrađeni od većeg broja TTL kola (60-ih i 70-ih godina 20. vijeka), a u svrhu testiranja novih vrsta procesora i kasnije.

Veliki nedostatak tehnologije je bila visoka potrošnja struje, oko 20 mA po kolu, što je značilo da za uređaj od 10 kola treba već oko 200 mA. To je praktično ograničilo širu upotrebu u uređajima na baterije, koji su morali koristiti sporiju CMOS tehnologiju sa malom potrošnjom struje.

Novije generacije usavršenih kola LSTTL pa HCMOS tipa su smanjile ili eliminisale prednosti TTL tehnologije, pa se danas klasična TTL tehnologija malo koristi za nove dizajne uređaja.

## Kompatibilnost sa drugim logičkim porodicama
Treba napomenuti da iako raspored pinova za kola 7400 serije može biti isti, različite porodice kola (TTL, HCMOS, ...) koriste različite logičke nivoe za logičku jedinicu ili nulu. Na primjer, 3,1 V je prihvatljiva logička jedinica za TTL ali ne i za HCMOS, koji zahtijeva bar 3,5 do 4 V za logičku jedinicu, pri naponu napajanja od 5 V. Iako će kola većinom raditi bez problema pod normalnim naponskim nivoima, ovo treba imati u vidu pri povezivanju raznih porodica kola.

## Podtipovi

Uspešne tehnološke generacije proizvodile su kompatibilne delove sa poboljšanom potrošnjom energije ili promenom brzine, ili i jedno i drugo. Iako su prodavci ravnomerno dali na tržište proizvodne linije, kao TTL sa Schottky diodama, neka osnovna kola, koja se koriste u LS familiji, mogu se smatrati DTL.

Varijacije i naslednici u osnovi TTL familija, koja ima tipična vrata sa zakašnjenjem od 10 ns i energijom rasipanja od 10&nbsp;mW po vratima, za proizvod energija-odlaganje (power–delay product - PDP) ili prebacivanje energije iznad 100 pJ, obuhvataju:
* Male-energije TTL (L), koji razmenjuje promenu brzine (33 ns) za smanjenje potrošnje energije (1&nbsp;mW) (sada bitno zamenjena CMOS logikom)
* Velika brzina TTL (H), sa bržim promenama u odnosu na standardni TTL (6 ns) ali sa značajno većim rasipanjem energije (22&nbsp;mW)
* Schottky TTL (S), predstavljen 1969. godine, koji je koristi Schottky diodne držače na vratima ulaza za zaštitu skladišnog punjenja i poboljšanja vremenske promene. Ova vrata su radila brže (3 ns), ali i sa većim rasipanjem energije (19&nbsp;mW)
* Male energije Schottky TTL (LS) – koristio je veće vrednosti otpora od TTL malih energija i Schottky diode da bi se obezbedila dobra kombinacija brzine (9,5 ns) i smanjila potrošnja energije (2&nbsp;mW), i PDP od oko 20 pJ. Verovatno najčešći tip TTL su korišćeni kao logički lepak u mikroračunarima, i u suštini su zamena nekadašnjih H, L, and S podfamilija.
* Brži (F) i Advanced-Schottky (AS) varijanta LS od Fairchild i TI, respektivno, oko 1985. godine, sa "Miller-killer" kolima da bi de ubrzali od niskih do visokih (low-to-high ) prenosa. Ove familije su ostvarile PDPs od 10 pJ i 4 pJ, respektivno, najniže od svih familija TTL
* Nisko naponski TTL (LVTTL) za 3,3 volta energetsko napajanje i memorijski interfejs.

Većina proizvođača nudi komercijalni i prošireni opseg temperature: na primer Texas Instruments delovi 7400 serije su bili proocenjeni za temperaturni opseg od 0 do 70&nbsp;°C, a 5400 serija uređaja po vojnim specifikacijama za temperaturni opseg od -55 do +125&nbsp;°C.

Posebni nivoi kvalitetaa i visoka pouzdanost delova su dostupni za vojne i vazdušno kosmičke primene.

Radijaciono kaljeni uređaji su u ponudi za kosmičke zadatke.

## Aplikacije
Pre pojave VLSI uređaja, TTL integrisana kola su bila standardan metod konstrukcije za procesore mini-računara i glavnog okvira procesora; kao što su DEC VAX i Data General Eclipse, a za opremu kao što je mašina za kontrolu numeričkog alata, štampači i terminali na video ekranima. Kad su mikroprocesori postali finkcionalniji, TTL uređaji postaju važni za „logički lepak“ ("glue logic") aplikacije, kao na primer brzi bus drivers na matičnim pločama, koji povezuju funkcije blokova realizovanih u VLSI elementima.

## Analogne aplikacije

Iako su prvobitno dizajnirani da budu digitalni signali logičkih nivoa, TTL inverter se može pristrasno uzeti kao analogni pojačivač. Povezivanje otpornika između ulaza i izlaza predstavlja TTL element kao pojačavač sa negativnom povratnom spregom. Takvi pojačala mogu biti korisni za konverziju analognih signala u digitalnom domenu, ali ne bi trebalo da se koriste kada je analogno pojačanje primarni cilj. TTL inverteri takođe mogu da se koriste u kristalnim oscilatorima gde je sposobnost njihovih analognih pojačanja značajna.

## Logički nivoi

Ulazni ili izlazni naponi van gornjih granica daju nepredvidljive rezultate i nisu preporučljivi.

Minimalna struja od 1,6 mA (miliampera) je potrebna po ulazu.
„Fen-out“ (): najviše 10 TTL ulaza.

## Povezano
* CMOS
* DTL
* ECL
* HCMOS
* LSTTL
* NMOS
* RTL
* RCTL
* ECL (elektronika)
* Digitalna elektronika

## Reference

## Literatura
* Ayers, J. UConn EE 215 notes for lecture 4.  Harvard University faculty web page. Archive of web page from University of Connecticut. n.d. Retrieved 17 September 2008.
* 
* The Computer History Museum. ''1963 - Standard Logic Families Introduced.'' 2007. Retrieved 16 April 2008.
* Engineering Staff. *The TTL Data Book for Design Engineers.* 1st Ed. Dallas: Texas Instruments. 1973.
* 
* 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. .
* Klein, E. ''Kenbak-1.''  Vintage-Computer.com. 2008.
* Don Lancaster *TTL Cookbook.* Indianapolis: Howard W. Sams and Co. 1975. .
* Millman, J. *Microelectronics Digital and Analog Circuits and Systems*. New York:McGraw-Hill Book Company. 1979. .
* 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. .

## Vanjske veze

* Raspored pinova za razne porodice integralnih kola