Low-Voltage-TTL

Die Transistor-Transistor-Logik (TTL) ist eine Schaltungstechnik (Logikfamilie) für logische Schaltungen (Gatter), bei der als aktives Bauelement der Schaltung planare npn-Bipolartransistoren verwendet werden. Hierbei wird meist ein Multiemitter-Transistor eingesetzt, so dass für mehrere Eingänge nur ein Transistor erforderlich ist.

7400-Chip (Vierfach-NAND-Gatter) aus dem Jahr 1976

Standard-TTL

Aufbau eines NAND-Gatters in Standard-TTL-Technik
Type: 7400; P_V = 10 mW; t_pd = 10 ns

Standard-TTL-Schaltkreise sind für einen Betrieb an einer Versorgungsspannung von 5 V mit einer Abweichung von 5 % ausgelegt. Gegenüber zu niedriger Betriebsspannung reagiert die TTL-Technik relativ tolerant, so dass meist auch der Betrieb beispielsweise an einer 4,5-Volt-Flachbatterie möglich ist. Noch niedrigere Werte wirken sich beispielsweise auf die Belastbarkeit der Ausgänge aus (Fanout), so dass in der Regel kein stabiler Betrieb mehr garantiert ist.

Eine hohe Spannung ist als High-Pegel (in positiver Logik eine logische 1) definiert, eine niedrige Spannung wird als Low-Pegel bezeichnet (in positiver Logik eine logische 0). Die Schaltkreise sind so dimensioniert, dass Eingangsspannungen U_E < 0,8 V als Low-Pegel, und U_E > 2,0 V als High-Pegel erkannt werden. Die Ausgangsspannung U_A beträgt typisch < 0,4 V für den Low-Pegel und > 2,4 V für den High-Pegel bei der zulässigen Last. Der statische Störabstand beträgt somit sowohl für High- als auch für Low-Pegel 0,4 V.

Logische Bausteine in TTL-Technik haben den Vorteil, dass sie unempfindlicher gegenüber elektrostatischen Entladungen sind als CMOS-Bausteine. Der Nachteil der TTL-Bausteine liegt wegen der stromgesteuerten Transistoren in einer im Vergleich zu CMOS deutlich höheren Leistungsaufnahme (Stromverbrauch) bei statischem Betrieb.

Das nebenstehende Bild zeigt den Aufbau eines TTL-NAND-Gatters. V₁ ist der Multiemitter-Transistor, U₁ und U₂ sind die Eingangsspannungen. Eine Besonderheit der TTL-Schaltung besteht darin, dass unbeschaltete Eingänge wirken, als lägen sie auf einem High-Pegel. Praktisch sollen unbenutzte Eingänge der TTL-Schaltkreise auf ein festes Potential gelegt werden, damit sichergestellt werden kann, dass der Schaltkreis korrekt arbeitet. Unbeschaltete Eingänge können die passive Störsicherheit einer Schaltung massiv verschlechtern.

Funktionsweise

TTL-Gatter arbeiten im Prinzip wie DTL-Gatter. Ein Unterschied besteht lediglich in der Ausführung des Dioden-Gatters sowie des Verstärkers. Der Verstärker besteht aus dem Ansteuertransistor V₂ und einer Gegentakt-Endstufe (Totem-Pole-Schaltung).

Die Ansteuerung erfolgt, indem U₁ und U₂ auf einen Low-Pegel (bzw. Masse) gelegt werden. Hierdurch wird V₁ leitend, da nun ein Basisstrom über R₁ fließt. Die Basis von V₂ wird hierdurch nahezu auf Masse (U_V1Sat) gelegt, wodurch V₂ sperrt. Damit liegt die Basis von V₃ auf High, die von V₄ auf low. V₃ leitet also und legt den Ausgang auf high. Sind die Eingänge nicht oder mit high beschaltet, so wird V₂ über die Basis-Kollektor-Strecke von V₁ mit Strom versorgt und leitend. V₃ wird gesperrt und V₄ leitend. Nur in diesem Zustand liegt der Ausgang auf low.

In der „open collector“-Ausführung (offener Kollektor) fehlt V₃, der Kollektor von V₄ wird also offen zum Ausgang geführt. In diesem Fall muss an Stelle von R₄ ein externer „pull up“-Widerstand angeschlossen werden. Diese Bauform ermöglicht es, mehrere Ausgänge parallel zu schalten zu einem „Wired-AND“ (verdrahtetes UND). Jedes der so parallel geschalteten Gatter kann den Strom eines nachfolgenden Gatters aufnehmen, ohne von den anderen beeinflusst zu werden und so den folgenden Eingang auf low schalten.

Varianten

Low-Power-Schottky-TTL

NAND-Gatter in Low-Power-Schottky-TTL Bauweise
Type: 74LS00; P_V=2 mW; t_pd=10 ns

Übertragungskennlinie eines Low-Power-Schottky-TTL-Inverters

Um die Sättigung der Transistoren zu verhindern, können den Transistoren Schottky-Dioden in der Basis-Kollektor-Strecke parallel geschaltet werden, sodass die Spannung der Basis nie mehr als 0,3 V über den Kollektorpotential liegen kann. Dadurch ergibt sich ein Schottky-Transistor. Diese Parallelschaltung verhindert ein Absinken der Kollektor-Emitter-Spannung unter 0,3 V. Die Dimensionierung kann für diesen Schaltungstyp wesentlich hochohmiger ausgelegt werden, wodurch sich auch eine wesentlich geringere statische Leistungsaufnahme ergibt. Auf die Gatterlaufzeit hat dies keinen Einfluss. Die zur Potentialverschiebung notwendige Diode wurde im abgebildeten Beispiel durch eine Darlington-Schaltung ersetzt.

Low-Voltage-TTL

Die Low-Voltage-TTL (LVTTL) ist eine besondere Form der Transistor-Transistor-Logik (Logikfamilie), bei der die Versorgungsspannung von 5 V auf 3,3 V reduziert ist.

Low-Voltage-TTL-Logikpegel

Symbol	Parameter	min	max
UIH	High-Level Input Voltage	2 V	UDD + 0,3 V
UIL	Low-Level Input Voltage	−0,3 V	0,8 V
UOH	High-Level Output Voltage	2,4 V
UOL	Low-Level Output Voltage		0,4 V

Typbezeichnungen und weitere Varianten

Standard TTL-Schaltkreise erkennt man an einer Bezeichnung der Form 74xx bzw. 74xxx, wobei „74“ auf die Logikfamilie und xx/xxx auf den Gatter-Typ (z. B. xx = „00“ entspricht NAND) verweist. Die meisten Bausteine gibt es auch als 54xx für den militärischen Temperaturbereich bzw. als 84xx für den industriellen Temperaturbereich. In TTL-Technik aufgebaut sind auch die wenig verbreitete 49xx-Serie sowie die 75xx-Serie, die in erster Linie Interface-, Pegelwandler- und andere Anpassschaltungen umfasst.

Die Bezeichnungen der Varianten orientieren sich im allgemeinen an dem Standardtyp, zu dem der Baustein anschluss- und funktions-kompatibel ist, wobei die Variante durch eingeschobene Buchstaben gekennzeichnet wird. Der Versorgungsspannungsbereich und die Signalpegel sind nicht notwendig kompatibel. Neben den bisher genannten gibt es noch zahlreiche weitere TTL-Varianten. Beispielsweise sind zum 7400 kompatibel:

• 74L00: Low-Power TTL mit geringerem Stromverbrauch bei geringerer Schaltgeschwindigkeit
• 74H00: High-Speed TTL mit sehr viel höherer Schaltgeschwindigkeit bei höherem Stromverbrauch
• 74S00: Schottky TTL mit höherer Schaltgeschwindigkeit bei höherem Stromverbrauch
• 74F00: Fast-Schottky
• 74AS00: Advanced Schottky

Bezüglich der Typbezeichnungen besteht ein fließender Übergang zu anderen Logikfamilien (siehe dort für eine Gegenüberstellung der wichtigsten Kennwerte), etwa die CMOS-Varianten:

• 74HC00: CMOS-Schaltungstechnik mit wesentlich geringerem Stromverbrauch
• 74HCT00: CMOS-Schaltungstechnik mit TTL-kompatiblen Pegeln

Siehe auch

• Widerstands-Transistor-Logik
• Langsame störsichere Logik