트랜지스터-트랜지스터 논리

3. 구현

TTL 입력은 바이폴라 트랜지스터의 에미터이다. NAND 입력의 경우, 입력은 다중 에미터 트랜지스터의 에미터이며, 기능적으로 베이스와 컬렉터가 함께 연결된 여러 트랜지스터와 동일하다.^[12] 출력은 공통 에미터 증폭기로 버퍼링된다.

모든 입력이 논리 1인 경우, 다중 에미터 트랜지스터의 베이스-에미터 접합은 역 바이어스되고, 각 입력에 의해 작은 “컬렉터” 전류(약 10μA)가 소모된다. 이는 트랜지스터가 역 활성 모드에 있기 때문이다. 양의 레일에서 저항을 통해 다중 에미터 트랜지스터의 베이스로 거의 일정한 전류가 흐른다.^[13] 이 전류는 출력 트랜지스터의 베이스-에미터 접합을 통과하여 출력 전압을 낮게(논리 0) 끌어내린다.

입력이 논리 0인 경우, 다중 에미터 트랜지스터의 베이스-컬렉터 접합과 출력 트랜지스터의 베이스-에미터 접합은 저항의 하단과 접지 사이에 직렬로 연결된다. 하나의 입력 전압이 0이 되면, 전류 스티어링 현상에 의해 전류는 이 입력에서 나와 0(낮은) 전압 소스로 흐른다. 결과적으로 출력 트랜지스터의 베이스를 통해 전류가 흐르지 않아 출력 전압은 높아진다(논리 1). 전이 중에 입력 트랜지스터는 잠깐 활성 영역에 있어 출력 트랜지스터의 베이스를 빠르게 방전한다. 이것은 DTL에 비해 전이 속도를 높이는 TTL의 중요한 장점이다.^[14]

단순 출력단을 가진 TTL의 주요 단점은 출력 논리 "1"에서 출력 컬렉터 저항에 의해 완전히 결정되는 상대적으로 높은 출력 저항이며, 이는 팬아웃을 제한한다. 단순 출력단의 장점 중 하나는 출력이 로드되지 않을 때 출력 논리 "1"의 높은 전압 레벨(최대 V_CC)이다.

일반적인 변형은 출력 트랜지스터의 컬렉터 저항을 생략하여 오픈 컬렉터 출력을 만드는 것이다. 이를 통해 설계자는 여러 논리 게이트의 오픈 컬렉터 출력을 함께 연결하고 단일 외부 풀업 저항을 제공하여 와이어드 로직을 제작할 수 있다. 논리 게이트 중 하나라도 논리적으로 낮은 값이 되면 결합된 출력은 낮은 값이 된다. 이러한 유형의 게이트 예로는 7401^[15] 및 7403^[16] 시리즈가 있다. 일부 게이트의 오픈 컬렉터 출력은 더 높은 최대 전압을 가지므로 비-TTL 부하를 구동할 때 유용하다.

단순 출력단의 높은 출력 저항 문제를 해결하기 위해 "토템폴"(푸시풀 출력) 출력단이 추가되었다. 토템폴 출력단은 두 개의 n-p-n 트랜지스터, "리프팅" 다이오드, 그리고 전류 제한 저항으로 구성된다.^[18][19] 토템폴 출력단에서 상단 트랜지스터는 전압 팔로어로 동작하여 높은 출력 전압(논리 "1")을 생성하고, 하단 트랜지스터가 활성화되면 출력에 낮은 전압(논리 "0")을 인가한다. 전이 중간에는 전류 제한 저항이 전류를 제한하고, 출력 단락의 경우에도 출력 전류를 제한한다. 출력 단에서 풀업 및 풀다운 저항을 제거하여 소비 전력에 비례적인 영향을 미치지 않고 게이트의 강도를 높일 수 있다.^[18][19]

토템폴 출력단을 가진 TTL의 주요 장점은 출력 논리 "1"에서의 낮은 출력 저항이다. 이는 활성 영역에서 에미터 팔로워로 동작하는 상단 출력 트랜지스터에 의해 결정된다. 토템폴 출력단의 단점은 출력 논리 "1"의 전압 레벨이 감소한다는 점이다(출력이 부하되지 않은 경우에도 3.5V를 넘지 않음).

3. 1. 기본 TTL 게이트

3. 2. 오픈 컬렉터

3. 3. 토템폴 출력단

4. 인터페이싱

DTL과 마찬가지로 TTL은 전류 싱크 논리인데, 이는 입력을 논리 0 전압 레벨로 만들기 위해 입력에서 전류를 끌어와야 하기 때문이다. 구동 단계는 전압이 0.4V를 초과하지 않도록 표준 TTL 입력에서 최대 1.6mA를 흡수해야 한다.^[20] 가장 일반적인 TTL 게이트의 출력 단계는 최대 10개의 표준 입력 단계(팬아웃 10)를 구동할 때 정상적으로 작동하도록 지정되어 있다. TTL 입력은 때때로 논리 "1"을 제공하기 위해 단순히 플로팅 상태로 두지만, 이러한 사용은 권장되지 않는다.^[21]

표준 TTL 회로는 5V 전원 공급 장치로 작동한다. TTL 입력 신호는 접지 단자에 대해 0V와 0.8V 사이일 때 "Low"로 정의되고, 2V와 V_CC (5V) 사이일 때 "High"로 정의된다.^[22][23] 0.8V와 사이의 전압 신호가 TTL 게이트의 입력으로 전송되면 게이트에서 확실한 응답이 없으므로 "불확실"로 간주된다(정확한 논리 레벨은 하위 유형과 온도에 따라 약간씩 다릅니다). TTL 출력은 일반적으로 "Low"의 경우 와 0.4V 사이, "High"의 경우 2.4V와 V_CC 사이의 좁은 범위로 제한되어 최소 0.4V의 잡음 내성을 제공한다.

TTL 레벨의 표준화는 매우 보편적이어서 복잡한 회로 기판에는 종종 가용성과 비용을 위해 다양한 제조업체에서 만든 TTL 칩이 포함되어 있으며, 호환성이 보장된다. 서로 다른 연속적인 날이나 주에 같은 조립 라인에서 나온 두 개의 회로 기판 장치에는 기판의 같은 위치에 브랜드가 다른 칩이 혼합되어 있을 수 있다. 수리가 가능하며, 원래 부품보다 몇 년 후에 제조된 칩을 사용할 수 있다. 유용하게 넓은 범위 내에서 논리 게이트는 전기적 제한에 대한 우려 없이 이상적인 부울 장치로 취급할 수 있다. 0.4V의 잡음 여유는 드라이버 단계의 낮은 출력 임피던스 때문인데, 이는 출력에 중첩된 많은 양의 잡음 전력이 입력을 정의되지 않은 영역으로 구동하는 데 필요하다는 것을 의미한다.

경우에 따라(예: TTL 논리 게이트의 출력을 CMOS 게이트의 입력을 구동하는 데 사용해야 하는 경우) 출력 논리 "1"에서 "토템 폴" 출력 단계의 전압 레벨을 V_CC에 더 가깝게 높일 수 있다. V4 콜렉터와 양극 레일 사이에 외부 저항을 연결하면 된다. 이것은 풀업하여 V₅ 음극을 끌어올리고 다이오드를 차단한다.^[24] 그러나 이 기술은 실제로 정교한 "토템 폴" 출력을 높은 레벨을 구동할 때 상당한 출력 저항을 갖는 간단한 출력 단계로 변환한다(외부 저항에 의해 결정됨).

5. 패키징

1963년부터 1990년까지 대부분의 집적 회로와 마찬가지로, 상업용 TTL 소자는 일반적으로 14핀에서 24핀까지의 듀얼 인라인 패키지(DIP)로 포장되었으며, 쓰루홀 또는 소켓 장착 방식을 사용했다.^[25] 상업용 온도 범위 부품에는 에폭시 플라스틱(PDIP) 패키지가 자주 사용되었고, 군사용 온도 범위 부품에는 세라믹 패키지(CDIP)가 사용되었다.

빔 리드 칩 다이는 패키징 없이 하이브리드 집적 회로로 조립하기 위해 제작되었다. 군사 및 항공 우주 응용 분야의 부품은 표면 실장 패키지의 한 형태인 플랫팩으로 포장되었으며, 인쇄 회로 기판에 용접 또는 납땜하기에 적합한 리드를 가지고 있었다. 오늘날 많은 TTL 호환 장치는 표면 실장 패키지로 제공되며, 이는 쓰루홀 패키지보다 더 다양한 유형으로 제공된다.

6. 다른 논리 패밀리와의 비교

TTL 소자는 대기 상태에서 동등한 CMOS 소자보다 상당히 많은 전력을 소모하지만, 전력 소모량은 CMOS 소자만큼 클럭 속도에 따라 빠르게 증가하지는 않는다.^[28] ECL 회로와 비교했을 때, TTL은 전력 소모량이 적고 설계 규칙이 더 간단하지만 속도는 상당히 느리다. 최상의 전반적인 성능과 경제성을 달성하기 위해 동일한 시스템에서 ECL과 TTL 소자를 결합할 수 있지만, 두 논리 패밀리 간에는 레벨 변환 소자가 필요하다. TTL은 초기 CMOS 소자보다 정전기 방전으로 인한 손상에 덜 민감하다.

TTL 소자의 출력 구조는 높은 상태와 낮은 상태 간 출력 임피던스가 비대칭적이어서 전송선을 구동하는 데 적합하지 않다. 이러한 단점은 일반적으로 신호를 케이블을 통해 전송해야 하는 경우 특수 라인 드라이버 소자로 출력을 버퍼링하여 극복한다. ECL은 대칭적인 저임피던스 출력 구조를 가지므로 이러한 단점이 없다.

TTL의 "토템폴" 출력 구조는 상단 및 하단 트랜지스터가 모두 도전할 때 순간적으로 중첩되어 전원 공급 장치에서 상당한 전류 펄스가 발생하는 경우가 종종 있다. 이러한 펄스는 여러 개의 집적 회로 패키지 간에 예기치 않은 방식으로 결합되어 노이즈 마진이 감소하고 성능이 저하될 수 있다. TTL 시스템은 일반적으로 하나 또는 두 개의 IC 패키지마다 디커플링 커패시터를 사용하여 하나의 TTL 칩에서 발생하는 전류 펄스가 다른 칩의 전원 전압을 순간적으로 낮추지 않도록 한다.

1980년대 중반부터 여러 제조업체에서 TTL과 호환되는 입력 및 출력 레벨을 갖춘 CMOS 논리 등가물을 공급하고 있으며, 일반적으로 동등한 TTL 구성 요소와 비슷한 부품 번호를 사용하고 동일한 핀 배열을 갖는다. 예를 들어, 74HCT 시리즈는 바이폴라 7400 시리즈 부품의 많은 드롭인 교체 부품을 제공하지만 CMOS 기술을 사용한다.

7. 하위 유형

여러 기술 세대를 거치면서 전력 소모량이나 스위칭 속도, 또는 둘 다 개선된 호환 부품들이 생산되었다. 대부분의 제조업체는 상용 및 광범위한 온도 범위를 제공한다. 예를 들어 텍사스 인스트루먼츠의 7400 시리즈 부품은 0~70 °C 등급이며, 5400 시리즈 장치는 −55~+125 °C의 군용 사양 온도 범위를 갖는다.^[29]

군사 및 항공 우주 응용 분야를 위해 특수 품질 수준 및 고신뢰성 부품을 사용할 수 있다.^[29]

우주 응용 분야를 위해 방사선 경화 장치(예: SNJ54 시리즈)가 제공된다.^[29]

8. 응용

초고밀도 집적회로(VLSI) 등장 이전, TTL 집적회로는 미니컴퓨터와 메인프레임 컴퓨터(예: DEC VAX, 데이터제너럴 이클립스)의 프로세서를 구성하는 표준 방식이었다. 또한 공작기계 수치제어 장치, 프린터, 비디오 디스플레이 단말기와 같은 장비에도 사용되었다. 마이크로프로세서가 더욱 기능적이 됨에 따라, TTL은 주소 디코더 및 버스 드라이버와 같이 VLSI 요소로 구현된 기능 블록을 연결하는 "글루 로직" 응용 프로그램에 사용되었다. Gigatron TTL은 TTL 집적회로만으로 완전히 제작된 프로세서의 최근(2018년) 사례이다.^[30]

8. 1. 아날로그 응용

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