トランジスタ-トランジスタロジック

トランジスタ-トランジスタ ロジック( TTL ) は、バイポーラ接合トランジスタから構築されたロジック ファミリです。その名前は、以前の抵抗-トランジスタ ロジック(RTL) やダイオード-トランジスタ ロジック(DTL ) とは異なり、トランジスタがロジック機能 (最初の「トランジスタ」) と増幅機能 (2 番目の「トランジスタ」) の両方を実行することを意味します。

TTL集積回路（IC）は、コンピュータ、産業用制御装置、試験装置および計測機器、民生用電子機器、シンセサイザーなどの用途で広く使用されていました。^[1]

TTL 集積回路は、1963 年にSylvania Electric Productsによって集積回路の形で導入されて以来、複数の半導体企業によって製造されています。Texas Instrumentsの7400 シリーズは特に人気を博しています。TTL メーカーは、幅広いロジック ゲート、フリップフロップ、カウンター、その他の回路を提供しています。オリジナルの TTL 回路設計のバリエーションでは、設計の最適化を可能にするために、より高速またはより低い消費電力が提供されています。TTL デバイスは、当初はセラミックおよびプラスチックのデュアル インライン パッケージとフラット パック形式で製造されていました。一部の TTL チップは現在、表面実装技術パッケージ でも製造されています。

TTL は、コンピューターやその他のデジタル エレクトロニクスの基盤となりました。超大規模集積回路(VLSI) CMOS集積回路マイクロプロセッサによってマルチチップ プロセッサが時代遅れになった後も、TTL デバイスは、より高密度に統合されたコンポーネント間の グルー ロジックインターフェイスとして広く使用されていました。

TTLは1961年にTRW社のジェームズ・L・ブイ氏によって発明され、同社はこれを「新たに開発された集積回路設計技術に特に適している」と宣言した。TTLの元の名前はトランジスタ結合トランジスタロジック（TCTL）であった。^[2]最初の商用集積回路TTLデバイスは1963年にシルバニア社によって製造され、シルバニアユニバーサルハイレベルロジックファミリー（SUHL）と呼ばれた。^{[3]シルバニアの部品は}フェニックスミサイルの制御に使用された。^[3]テキサスインスツルメンツ社が1964年に軍用温度範囲の5400シリーズのICを発表し、その後1966年に狭い範囲で安価なプラスチックパッケージの7400シリーズを発表した後、 TTLは電子システム設計者の間で人気となった。 ^[4]

テキサス・インスツルメンツ7400ファミリーは業界標準となった。互換部品はモトローラ、AMD、フェアチャイルド、インテル、インターシル、シグネティクス、ムラード、シーメンス、SGS-トムソン、リファ、ナショナル・セミコンダクター[ ^{5] [6]}やその他多くの企業、さらには東側諸国（ソ連、東ドイツ、ポーランド、チェコスロバキア、ハンガリー、ルーマニア — 詳細は7400シリーズを参照）でも製造された。他社が互換TTL部品を製造しただけでなく、他の多くの回路技術を使用して互換部品も製造された。少なくとも1つの製造業者、IBMは自社用に非互換TTL回路を製造し、IBMはIBM System/38、IBM 4300、IBM 3081でこの技術を使用した。^[7]

「TTL」という用語は、約20年にわたって速度と消費電力が徐々に改善されたバイポーラロジックの多くの連続世代に適用されています。最も最近導入された74Fxxファミリは現在も販売されており（2019年現在）、90年代後半まで広く使用されていました。74AS / ALSアドバンストショットキーは1985年に導入されました。 ^[8] 2008年現在、テキサスインスツルメンツは、価格が上昇しているにもかかわらず、多くの旧式のテクノロジファミリでより汎用的なチップを供給し続けています。通常、TTLチップには数百個を超えるトランジスタが統合されていません。1つのパッケージ内の機能は、通常、数個のロジックゲートからマイクロプロセッサのビットスライスまでの範囲です。TTLは、その低コストにより、以前はアナログ方式で実行されていたタスクにデジタル技術が経済的に実用的になったため、重要になりました。^[9]

最初のパーソナルコンピュータの祖先であるKenbak -1 は、1971 年当時はまだ入手できなかったマイクロプロセッサチップの代わりにCPUに TTL を採用しました。 ^[10] 1970 年のDatapoint 2200 はCPU に TTL コンポーネントを採用し、 8008や後のx86命令セットの基礎となりました。^[11]グラフィカル ユーザー インターフェイスを導入した1973 年のXerox Altoワークステーションと 1981 年のStarワークステーションは、それぞれ算術論理ユニット(ALU) とビットスライスのレベルで統合された TTL 回路を採用しました。ほとんどのコンピュータは、1990 年代に入っても、大型チップ間の接続にTTL 互換の「グルー ロジック」を採用していました。プログラマブル ロジックが登場するまでは、開発中のマイクロアーキテクチャのプロトタイプ作成やエミュレーションには、個別のバイポーラ ロジックが使用されていました。

TTL入力はバイポーラトランジスタのエミッタです。NAND入力の場合、入力はマルチエミッタトランジスタのエミッタであり、ベースとコレクタが一緒に接続された複数のトランジスタと機能的に同等です。^{[12]出力は}共通エミッタアンプによってバッファされます。

入力は両方とも論理 1 です。すべての入力が高電圧に保持されると、マルチエミッタトランジスタのベース-エミッタ接合は逆バイアスされます。DTL とは異なり、各入力によって小さな「コレクタ」電流 (約 10 μA) が消費されます。これは、トランジスタが逆アクティブモードになっているためです。ほぼ一定の電流が正レールから抵抗器を通り、マルチエミッタトランジスタのベースに流れ込みます。^[13]この電流は出力トランジスタのベース-エミッタ接合を通過し、トランジスタを導通させて出力電圧を低く (論理ゼロ) します。

入力論理ゼロ。マルチエミッタトランジスタのベース-コレクタ接合と出力トランジスタのベース-エミッタ接合は、抵抗器の底部とグランドの間に直列に接続されていることに注意してください。1 つの入力電圧がゼロになると、マルチエミッタトランジスタの対応するベース-エミッタ接合は、これらの 2 つの接合と並列になります。電流ステアリングと呼ばれる現象は、しきい値電圧が異なる 2 つの電圧安定要素が並列に接続されている場合、電流はしきい値電圧の小さい方のパスを流れます。つまり、電流はこの入力からゼロ (低) 電圧源に流れ込みます。その結果、出力トランジスタのベースには電流が流れず、導通が停止して出力電圧が高くなります (論理 1)。遷移中、入力トランジスタは一時的にアクティブ領域にあるため、出力トランジスタのベースから大きな電流が流れ、ベースが急速に放電されます。これは、ダイオード入力構造での遷移を高速化する、DTL に対する TTL の重要な利点です。^[14]

シンプルな出力段を持つ TTL の主な欠点は、出力コレクタ抵抗によって完全に決定される出力論理 "1" での出力抵抗が比較的高いことです。これにより、接続できる入力の数 (ファンアウト) が制限されます。シンプルな出力段の利点の 1 つは、出力が負荷されていないときに出力論理 "1" の 電圧レベルが高い (最大 V _{CC ) ことです。}

一般的なバリエーションでは、出力トランジスタのコレクタ抵抗を省略し、オープンコレクタ出力を作成します。これにより、設計者は複数のロジックゲートのオープンコレクタ出力を接続し、単一の外部プルアップ抵抗を提供することで、ワイヤードロジックを製造できます。ロジックゲートのいずれかがロジックロー（トランジスタが導通）になると、結合された出力はローになります。このタイプのゲートの例には、7401 ^[15]および7403 ^[16]シリーズがあります。一部のゲートのオープンコレクタ出力は、7426の15 Vなど、より高い最大電圧を持ち、^[17] TTL以外の負荷を駆動するときに便利です。

単純な出力段の高出力抵抗の問題を解決するために、2 番目の回路図ではこれに「トーテムポール」(「プッシュプル」) 出力が追加されています。これは、2 つの npn トランジスタ V ₃と V ₄、リフティング ダイオード V ₅、および電流制限抵抗 R _{3で構成されています (右の図を参照)。これは、上記と同じ}電流ステアリングの考え方を適用して駆動されます。

V ₂が「オフ」の場合、V _{4 も}「オフ」になり、V _{3 は}アクティブ領域で電圧フォロワとして動作し、高出力電圧 (論理「1」) を生成します。

V ₂が「オン」のとき、V ₄がアクティブになり、出力に低電圧 (論理「0」) が供給されます。ここでも電流ステアリング効果があります。V ₂の CE 接合と V _{4の BE 接合の直列接続は、V 3} BE、V ₅の陽極-陰極接合、および V ₄ CEの直列接続と並列です。2 番目の直列接続はしきい値電圧が高いため、電流は流れません。つまり、V ₃のベース電流が奪われます。トランジスタ V _{3 は}「オフ」になり、出力には影響しません。

遷移の途中で、抵抗器 R _{3 は}、直列に接続されたトランジスタ V ₃、ダイオード V ₅、およびトランジスタ V ₄のすべてに流れる電流を制限します。また、出力論理 "1" の場合やグランドへの短絡の場合の出力電流も制限します。出力段からプルアップ抵抗器とプルダウン抵抗器を取り除くことで、消費電力に比例して影響を与えることなくゲートの強度を高めることができます。^{[18] [19]}

「トーテムポール」出力段を備えた TTL の主な利点は、出力論理「1」での出力抵抗が低いことです。これは、アクティブ領域でエミッタ フォロワとして動作する上部出力トランジスタ V ₃によって決まります。抵抗器 R _{3は V 3}コレクタに接続されており、その影響は負帰還によって補償されるため、出力抵抗は増加しません。「トーテムポール」出力段の欠点は、出力論理「1」の電圧レベルが低下することです (出力が無負荷の場合でも 3.5 V 以下)。この低下の理由は、V ₃ベース - エミッタおよび V ₅アノード - カソード接合での電圧降下です。

DTL と同様に、TTL は電流シンク ロジックです。入力から電​​流を引き出してロジック 0 の電圧レベルにする必要があります。駆動ステージは、標準 TTL 入力から最大 1.6 mA を吸収し、電圧が 0.4 ボルト以上に上昇しないようにする必要があります。^[20]最も一般的な TTL ゲートの出力ステージは、最大 10 個の標準入力ステージ (ファンアウト 10) を駆動するときに正しく機能するように指定されています。TTL 入力は、論理 "1" を提供するために単にフローティングのままにされることがあります。ただし、この使用法は推奨されません。^[21]

標準の TTL 回路は 5ボルト電源で動作します。TTL 入力信号は、接地端子に対して 0 V から 0.8 V の間は「低」、2 V から V _CC (5 V) の間は「高」と定義されます。^{[22] [23]}また、0.8 V から 2.0 V の範囲の電圧信号が TTL ゲートの入力に送信された場合、ゲートからの確実な応答がないため、「不確実」と見なされます (正確な論理レベルはサブタイプ間および温度によってわずかに異なります)。TTL 出力は通常、0.0 V から 0.4 V の間 (「低」)、2.4 V から V _CCの間(「高」) というより狭い範囲に制限され、少なくとも 0.4 V のノイズ耐性を提供します。TTL レベルの標準化は非常に普及しているため、複雑な回路基板には、互換性が保証された、入手性とコストに基づいて選択された多くの異なるメーカーの TTL チップが含まれていることがよくあります。同じ組み立てラインから出荷された 2 つの回路基板ユニットは、異なる日または週にわたって同じ位置に異なるブランドのチップが混在している可能性があります。元のコンポーネントより何年も後に製造されたチップであれば、修理が可能です。 有用な広い制限内では、ロジック ゲートは、電気的な制限を気にすることなく、理想的なブール デバイスとして扱うことができます。 0.4 V のノイズ マージンで十分なのは、ドライバ ステージの出力インピーダンスが低いためです。つまり、入力を未定義の領域に駆動するには、出力に重畳される大量のノイズ電力が必要です。

場合によっては（例えば、TTL ロジック ゲートの出力を CMOS ゲートの入力を駆動するために使用する必要がある場合）、V4 コレクタと正のレールの間に外部抵抗を接続することで、出力論理 "1" での "トーテム ポール" 出力段の電圧レベルを V _CCに近づけることができます。これにより、 V _{5カソード}がプルアップされ、ダイオードがカットオフされます。^[24]ただし、この手法では、実際には、高度な "トーテム ポール" 出力が、高レベル（外部抵抗によって決定）を駆動するときに大きな出力抵抗を持つ単純な出力段に変換されます。

1963年から1990年までのほとんどの集積回路と同様に、市販のTTLデバイスは通常、スルーホールまたはソケットマウント用の14〜24ピンのデュアルインラインパッケージ（DIP）にパッケージ化されています^[25]。エポキシプラスチック（PDIP）パッケージは、商用温度範囲のコンポーネントによく使用され、セラミックパッケージ（CDIP）は軍用温度範囲の部品に使用されました。

パッケージのないビームリードチップダイは、ハイブリッド集積回路としてより大きなアレイに組み立てるために作られました。軍事および航空宇宙用途の部品は、プリント回路基板への溶接またははんだ付けに適したリードを備えた、表面実装パッケージの一種であるフラットパックにパッケージ化されました。今日^{[いつ? ]}、多くのTTL互換デバイスは、スルーホールパッケージよりも幅広い種類の表面実装パッケージで利用できます。

TTL は、ゲートへの入力を追加するために必要なのは、入力トランジスタの共有ベース領域上のエミッタのみであるため、バイポーラ集積回路に特に適しています。個別にパッケージ化されたトランジスタを使用する場合、すべてのトランジスタのコストを考えると、このような入力構造の使用は避けたほうがよいでしょう。しかし、集積回路では、ゲート入力を追加するためのエミッタを追加しても、わずかな面積しか追加されません。

少なくとも1つのコンピュータメーカー、IBMはTTLを搭載した独自のフリップチップ集積回路を製造し、これらのチップはセラミックマルチチップモジュールに搭載されました。^{[26] [27]}

TTLデバイスは、静止状態では同等のCMOSデバイスよりも大幅に多くの電力を消費しますが、クロック速度に応じて消費電力がCMOSデバイスほど急速に増加することはありません。^{[28]現代の}ECL回路 と比較すると、TTLは消費電力が少なく、設計ルールも簡単ですが、大幅に低速です。設計者は、ECLデバイスとTTLデバイスを同じシステムで組み合わせて、最高の全体的なパフォーマンスと経済性を実現できますが、2つのロジックファミリ間にレベルシフトデバイスが必要です。TTLは、初期のCMOSデバイスよりも静電放電による損傷の影響を受けにくいです。

TTL デバイスの出力構造により、出力インピーダンスは高状態と低状態の間で非対称となり、伝送ラインの駆動には適していません。この欠点は、通常、ケーブルを介して信号を送信する必要がある場合に、特殊なライン ドライバ デバイスを使用して出力をバッファリングすることで克服されます。ECL は、対称的な低インピーダンス出力構造のため、この欠点はありません。

TTL「トーテムポール」出力構造では、上部トランジスタと下部トランジスタの両方が導通しているときに瞬間的にオーバーラップが発生することが多く、その結果、電源から大量の電流パルスが引き出されます。これらのパルスは、複数の集積回路パッケージ間で予期しない方法で結合することがあり、その結果、ノイズ マージンが減少し、パフォーマンスが低下します。TTL システムでは通常、 1 つまたは 2 つの IC パッケージごとにデカップリング コンデンサが1 つあるため、1 つの TTL チップからの電流パルスによって別の TTL チップへの電源電圧が瞬間的に低下することはありません。

1980 年代半ば以降、いくつかのメーカーが TTL 互換の入力レベルと出力レベルを備えた CMOS ロジック同等品を供給しており、通常は同等の TTL コンポーネントに類似した部品番号を持ち、同じピン配置を備えています。たとえば、74HCT00 シリーズは、バイポーラ7400 シリーズ部品のドロップイン交換品を多数提供していますが、CMOSテクノロジを使用しています。

技術の世代が進むにつれて、消費電力やスイッチング速度、あるいはその両方が改善された互換性のある部品が生産されるようになった。ベンダーはこれらのさまざまな製品ラインをショットキーダイオードを備えたTTLとして一様に販売していたが、LSファミリーで使用されているような基礎となる回路の一部はむしろDTLと見なすことができる。^[29]

標準的なゲート伝播遅延が 10ns、ゲートあたりの消費電力が 10mW、電力遅延積(PDP) またはスイッチングエネルギーが約 100pJ である基本的な TTL ファミリのバリエーションおよび後継製品には、次のものがあります。

• 低電力 TTL (L) は、スイッチング速度 (33ns) と引き換えに消費電力 (1 mW) を削減しました (現在は基本的にCMOSロジックに置き換えられています)
• 高速TTL（H）。標準TTL（6ns）よりもスイッチングが高速ですが、消費電力が大幅に高くなります（22mW）。
• ショットキーTTL（S）は1969年に導入され、ゲート入力にショットキーダイオードクランプを使用して電荷蓄積を防ぎ、スイッチング時間を改善しました。これらのゲートはより高速（3ns）に動作しましたが、消費電力は高く（19mW）、
• 低電力ショットキー TTL (LS) - 低電力 TTL のより高い抵抗値とショットキー ダイオードを使用して、速度 (9.5 ns) と消費電力の低減 (2 mW) の優れた組み合わせと、約 20 pJ の PDP を実現しました。おそらく最も一般的なタイプの TTL で、マイクロコンピュータのグルー ロジックとして使用され、基本的に以前の H、L、および S サブファミリに取って代わりました。
• 1985 年頃、フェアチャイルドと TI がそれぞれ LS の高速 (F) 型と高度ショットキー (AS) 型を発売しました。低から高への遷移を高速化する「ミラーキラー」回路を搭載しています。これらのファミリは、それぞれ 10 pJ と 4 pJ の PDP を達成し、すべての TTL ファミリの中で最も低い値となりました。
• 3.3 ボルト電源およびメモリ インターフェイス用の低電圧 TTL (LVTTL)。

ほとんどのメーカーは、商用温度範囲と拡張温度範囲を提供しています。たとえば、Texas Instruments 7400 シリーズの部品は 0 ～ 70 °C の定格で、5400 シリーズのデバイスは軍事仕様の温度範囲である -55 ～ +125 °C を超えています。

軍事および航空宇宙用途向けに、特別な品質レベルと高信頼性の部品が提供されています。

宇宙用途向けには、耐放射線性デバイス (SNJ54 シリーズなど) が提供されています。

VLSIデバイスの登場以前は、TTL集積回路は、DEC VAXやData General Eclipseなどのミニコンピュータやミッドレンジメインフレームコンピュータのプロセッサの標準的な構築方法でした。ただし、一部のコンピュータファミリは独自のコンポーネントに基づいており（Fairchild CTLなど）、スーパーコンピュータやハイエンドメインフレームはエミッタ結合ロジックを使用していました。これらは、工作機械の数値制御、プリンタ、ビデオ表示端末などの機器にも使用され、マイクロプロセッサがより機能的になるにつれて、VLSI要素で実現された機能ブロックを結び付けるアドレスデコーダやバスドライバなどの「グルーロジック」アプリケーションにも使用されました。Gigatron TTLは、完全にTTL集積回路で構築されたプロセッサのより最近の例です（2018年）。

TTLインバータはもともとロジックレベルのデジタル信号を処理するように設計されていましたが、アナログアンプとしてバイアスをかけることができます。出力と入力の間に抵抗を接続すると、TTL要素が負帰還アンプとしてバイアスされます。このようなアンプはアナログ信号をデジタル領域に変換するのに役立つ場合がありますが、通常、アナログ増幅が主な目的の場合は使用されません。^{[30] TTLインバータは、アナログ増幅能力が重要な}水晶発振器にも使用できます。

入力が 0.8 V から 2 V の不特定の領域を横切るゆっくり変化する入力信号に接続されている場合、TTL ゲートは誤ってアナログ アンプとして動作する可能性があります。入力がこの範囲内にある場合、出力は不安定になる可能性があります。このようにゆっくり変化する入力は、出力回路で過剰な電力消費を引き起こす可能性もあります。このようなアナログ入力を使用する必要がある場合は、シュミット トリガー入力を備えた特殊な TTL 部品があり、アナログ入力をデジタル値に確実に変換し、1 ビットの A/D コンバータとして効果的に動作します。

TTLシリアルは、生のトランジスタ電圧レベルを使用するシングルエンド シリアル通信を指します。0の場合は「低」、1の場合は「高」です。 ^{[31] TTLシリアル上の} UARTは、組み込みデバイスの一般的なデバッグインターフェイスです。グラフ電卓やNMEA 0183準拠の GPS受信機や魚群探知機などのハンドヘルドデバイスも、TTLを使用したUARTをよく使用します。TTLシリアルは事実上の標準に過ぎず、厳密な電気ガイドラインはありません。ドライバ-レシーバーモジュールは、TTLと長距離シリアル規格間のインターフェイスです。1つの例は、 RS-232との間で変換するMAX232です。^[32]

差動TTLは、補完レベルを持つ差動ペアを介して伝送されるTTLシリアルであり、ノイズ耐性が大幅に向上しています。RS -422とRS-485の両方の信号はTTLレベルを使用して生成できます。^[33]

CcTalk はTTL 電圧レベルに基づいています。

• 差動TTL
• 抵抗トランジスタロジック (RTL)
• 7400シリーズ集積回路の一覧

• 電気回路のレッスン - 第 4 巻 - デジタル; Tony Kuphaldt; Open Book Project; 508 ページ; 2007 年。(第 3 章 ロジック ゲート)

ウィキメディア・コモンズには、 TTLに関連するメディアがあります。

• フェアチャイルド セミコンダクター。74HCT TTL 互換 CMOS ロジックの紹介と比較 (アプリケーション ノート 368)。1984 年。(TTL と CMOS の相対的な ESD 感度について。)
• テキサスインスツルメンツロジックファミリーアプリケーションノート