Ugrás a tartalomhoz

Digitális elektronika

Dr. Halmai Attila (2012)

EDUTUS Főiskola

A TTL rendszer

A TTL rendszer

A TTL (transistor-transistor logic) az elektronikában szinte egyedülálló, áramot húzó logikai rendszer. Az áramkörök annyira speciálisak, hogy a TTL rendszer diszkrét alkatrészekből már fel sem építhető, csakis az integrált áramkörökre jellemző technológiával készíthető el. Működésének megértéséhez az a legfontosabb tudnivaló, hogy az általános szokásoktól eltérően az áramkörök bemenetére nem áramot kell adni, hanem ellenkezőleg, azokról áramot kell elvenni. Más szavakkal: a bemenetre nem forrást, hanem nyelőt kell csatlakoztatni.

A TTL alapkapu

A TTL rendszer kifejlesztése (1964) a Texas Instruments cég nevéhez fűződik, az általános használatra alkalmas rendszert SN 74 rendszer néven is szokás említeni. Emellett léteznek alacsony disszipációjú SN 74 L (low power) és nagy sebességű SN 74 H (high speed), valamint katonai alkalmazásra szánt SN 54 (military) rendszerek is.

A TTL rendszer alapkapuként a NAND áramkört használja. Fontos ismertetőjele a többemitteres tranzisztor, amely diszkrét alkotóelemekből nem állítható elő. A TTL alapkapu áramkörét a 2.2.1.1. ábra mutatja.

2.2.1.1. ábra Forrás: Puklus

A 2.2.1.2. ábrán a legegyszerűbb, mindössze 2 bemenettel rendelkező NAND kaput láthatjuk. A tulajdonképpeni ÉS kapcsolatot a T1 többemitteres tranzisztor biztosítja. Akár az x1, akár az x2 bemenetet kötjük le a 0 vezetékre (logikai nem), a T1 tranzisztor aktív állapotba kerül, és az R1 bázisellenállás nyitott állapotba hozza a tranzisztort (a 2.2.1.2. ábra bal oldala). Csak és kizárólag akkor lesz lezárt állapotban a T1 tranzisztor, ha mindkét bemenet magas potenciálon (azaz logikai igen feszültségszinten) van. A többemitteres tranzisztor emittereinek száma ennél a rendszernél maximálisan 8 lehet.

2.2.1.2. ábra Forrás: Puklus

A TTL rendszer feszültségszintjei

A TTL rendszer pozitív logikai rendszer, tápfeszültsége kötött, +5 V ±5%. A rendszer npn tranzisztorokból, diódákból és ellenállásokból áll. A kimenetek és a bemenetek egymással csatolóelem nélkül köthetők össze, tranzisztor tranzisztorhoz csatlakozik, innen származik az elnevezése is (transistor-transistor logic).

A TTL rendszerben a logikai feszültségszintek tartománya a bemeneteken és a kimeneteken különbözik egymástól. Ennek oka a már korábban említett szinthelyreállító képességben rejlik. Működés közben ugyanis különböző nemkívánatos zajok is keletkezhetnek, amelyek a logikai szintekre szuperponálódva hamis működést hozhatnak létre. Ennek megakadályozására a TTL rendszer zajtartalékkal rendelkezik, tehát a kimeneti feszültségtartomány szigorúbb a kimeneten, mint amit a bemenet elfogad. A zajtartalék értéke a TTL rendszerben 0,4 V. Ezeknek figyelembevételével a bemeneti feszültségtartomány:

logikai nem: 0…0,8 V

logikai igen: 2…5 V.

A kimeneti feszültségtartomány:

logikai nem: 0…0,4 V

logikai igen: 2,4…5 V.

Látható tehát, hogy a zajtartalék mindkét logikai változónál 0,4 V. A következő, 2.2.2.1. ábrán látható a TTL alapkapu bemeneti feszültség-kimeneti feszültség karakterisztikája (más néven a transzfer-, azaz az átviteli karakterisztika). A TTL rendszerben tartósan (statikusan) csak a logikai igen és a logikai nem szintek vannak megengedve, a karakterisztikának a kettő közé eső tartományán kizárólag az átkapcsolás alatt futhat át a kimeneti feszültség, normális alkalmazás szempontjából tehát ez a tartomány tiltott.

2.2.2.1. ábra

A TTL rendszer dinamikus tulajdonságai

A TTL rendszeren belül többféle áramköri sorozatok léteznek. A normál kivitelen kívül kifejlesztettek alacsony disszipációjú SN 74 L (low power) és nagy sebességű SN 74 H (high speed), valamint katonai alkalmazásra szánt SN 54 (military) rendszereket is, annak megfelelően, hogy mikor melyik szempont a meghatározó. Az egész SN 74 rendszerre jellemző, hogy a 74-es szám után megjelenő két- vagy háromjegyű szám határozza meg a logikai áramkör alapvető kapcsolását, és az ezután található betű utal az alacsony disszipációra, amely egyben lassabb működésű is, vagy a nagyobb sebességre, ami egyben magasabb disszipációt is jelent. Létezik egy Schottky-diódás sorozat is, amely egyesíti a nagyobb sebességet a kisebb disszipációval. Az alapkapuk átlagos késleltetési idejét és disszipációját a következőkben foglaljuk össze:

2.2.3.1. ábra

A táblázatból jól látható, hogy a nagyobb sebesség együtt jár a nagyobb disszipációval, és fordítva. Mindig az adott feladat határozza meg, hogy milyen áramköröket célszerű alkalmaznunk.

A háromállapotú kimenet

A TTL alapkapu kimeneti fokozatának három lehetséges megvalósítási formája van:

A leggyakrabban az ábra szerinti T3 és T4 tranzisztorokból álló ún. „totem pole” kimenet fordul elő. Ennek terhelhetősége alapesetben 10 bemeneti egységterhelés (fan-out = 10). Ezt a kimenetet használjuk a legáltalánosabban, amikor alapkapukból rendszereket építünk fel, és például az egyik áramkör kimenetéhez további bemenetek csatlakoznak.

A második lehetőség az ún. „nyitott kollektoros” kimenet, ekkor a D dióda, a T4 tranzisztor és az R4 ellenállás hiányzik. Ezt a kimenetet két esetben használjuk: az első, amikor az áramkörrel LED-et, relét vagy más fogyasztót kívánunk működtetni. Ilyenkor a kimenetre kapcsolt fogyasztót más tápfeszültséggel (pl. 12 V) is lehet működtetni, míg a logikai rész tápfeszültsége az előírt 5 V-on marad. A másik eset, hogy nyitott kollektoros kapukkal egyszerű huzalozott VAGY kapcsolást állítunk elő.

A harmadik lehetőség a háromállapotú kimenet. Ennek magyarázata a „buszrendszerben” rejlik. Lényege, hogy a kimeneteknek jól terhelhetőknek kell lenniük, vagyis kis kimeneti ellenállással kell rendelkezniük. A buszrendszerben egy vezetékre több kimenet és több bemenet is csatlakozik. Az adatforgalom többirányú, ami úgy lehetséges, hogy az aktuális kimenetet és a bemeneteket címezzük, csak azok lesznek aktívak, amelyek meg vannak címezve. Ebből következően a többi áramkörnek, amelyek rá vannak kötve ugyanarra a vezetékre, inaktív állapotban kell lenniük. Ez a kimeneti áramköröket tekintve annyit jelent, hogy ilyenkor a kimenet nem lehet sem logikai igen, sem logikai nem állapotban, hanem a harmadik, ún. magas impedanciás állapotban van. Ezért látják el az áramkörök egy részét az „ENABLE” (engedélyezés) bemeneti csatlakozással. Az áramköri megvalósítást a 2.2.4.1. ábra mutatja. A NAND áramkör tehát csak akkor aktiválódik, ha az EN bemenetre logikai igen szintet adunk, egyébként nem. Ilyenkor az y kimenet bármilyen potenciálon lehet, mert a kimeneti T3 és T4 tranzisztorok le vannak zárva, azaz szakadásként modellezhetők.

2.2.4.1. ábra Forrás: Puklus

Példák megvalósított áramkörökre

A legegyszerűbb megvalósított TTL áramkör a kétbemenetű NAND kapu, típusmegnevezése SN 7400 N. A gyakorlatban 1 db 14 lábú dual-in-line (DIP) tokban 4 NAND kaput helyeznek el, mint ahogy az a 2.2.5.1. ábrán látható.

2.2.5.1. ábra Forrás: Wikipédia

Az elektronikai technológia fejlődésével a chip méretének változatlanul hagyása mellett megjelentek a kisebb tokozások, erre példa a felületszerelési technológiára (surface mounting technology, SMT) kifejlesztett ún. SOI tokozás (2.2.5.2. ábra). Itt jegyezzük meg, hogy ha az áramkör DIP és SOI kivitelben egyaránt létezik, a kivezetések bekötése azonos szokott lenni.

2.2.5.2. ábra Forrás: Wikipédia